铌基单分子层纳米片的制备及电学特性研究

Inorganic two-dimensional (2D) nanosheets are one type of the graphene analogues, which possess atomic or molecular monolayer thickness, showing the promising signs in constructing electronic and energy related devices. In this project, we propose a "top-down" approach to fabricate novel ferroelectric KNbO3 (KNO) 2D nanosheets by the exfoliation of a layered compound, K2NbO3F. Due to the 2D structure and ferroelectric active feature, it is expected that KNO nanosheets may possess excellent dielectric properties. To realize the high-k applications of nanosheets, KNO nanosheets will be assembled into nanostructure films by Langmuir-Blodgett (LB) deposition method. Since the dielectric/substrate interface can be controlled by solution-based room-temperature fabrication, "Clean" KNO films could be obtained with low residual stress and defects. These oxide nanosheets may provide unique electric properties that are attractive for both fundamental research and potential applications.

无机二维纳米片具有类石墨烯结构，即其厚度为单原子层或单分子层，在电子器件和能源材料等领域有着重要的科学意义和广阔的应用前景。本研究将采用直接液相剥离法，在超声辅助下剥离层状类钙钛矿材料K2NbO3F，从而"自上而下"地制备铁电氧化物KNbO3(KNO)的二维纳米片。由于KNO的铁电活性及其二维特征，该材料体系有望表现出优异的高介电性能。利用其厚度在1纳米左右的单分子层结构，通过普通的Langmuir-Blodgett (LB)成膜技术可以在室温制备含任意钙钛矿层数的多层膜。相比于传统的高温薄膜工艺，利用铁电纳米片的室温组装可以制备较"干净"的薄膜，具有低缺陷、低应力等特征。因此该体系有望表现出独特的电学行为，这将十分有利于进一步的应用以及理论基础研究。

借鉴于石墨烯等二维材料表现出的独特物性，本项目提出制备类石墨烯结构的氧化物纳米片及薄膜，以期获得超越常规薄膜材料的介电性能。项目组通过三年的时间，采用直接液相剥离法，在超声辅助下剥离层状类钙钛矿材料（如K2NbO3F)，从而“自上而下”地制备KNbO3（KNO）等铁电纳米片；通过普通的LB成膜技术在室温制备含任意钙钛矿层数的多层膜，并研究了其电学特性。相比于传统的高温薄膜工艺，利用二维纳米片的室温组装可以制备比较“干净”的薄膜，具有低缺陷、低应力等特性。在项目实施过程中，项目组成员按照研究计划完成了层状钙钛矿陶瓷粉体的制备、K2NbO3F的液相剥离工艺研究、KNO多层膜组装及其电学性能研究等主要内容。采用传统的固相法我们制备了2种不同的K2NbO3F前驱体，通过简单的液相剥离工艺，分别得到了立方相和正交相的KNO纳米片。KNO纳米片在水溶液中分散良好，厚度约为1-4纳米，光催化研究发现立方结构的KNO纳米片具有更好的催化降解能力。通过简单的质子交换，CsTi2NbO7 (CTNO)可以转化成层状HTi2NbO7 (HTNO)粉体，HTNO可进一步液相剥离得到Ti2NbO7（TNO）纳米片。TNO纳米片组装的薄膜介电常数可达150。实现表明HTNO是一种良好的钠离子电池正极材料。将KNO和BTO纳米粉体与锂硫电池的正极材料混合，可以利用铁电极化效应有效地抑制多硫化物的“穿梭效应”，从而极大地改善锂硫电池的循环性能。