聚矽烷/MoS2導電材料的合成、表征及結構與性能關係研究

《聚矽烷/MoS2導電材料的合成、表征及結構與性能關係研究》是依託哈爾濱理工大學，由張桂玲擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：聚矽烷/MoS2導電材料的合成、表征及結構與性能關係研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張桂玲
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

聚矽烷和二硫化鉬（MoS2）納米材料都具有許多奇異的光電性能，二者均為當前材料學的研究熱點，MoS2具有石墨（烯）、納米管的結構特點，將聚矽烷和MoS2有機結合起來有望開發出性能更佳的新型導電高分子材料。本項目擬採用接枝法、插入法和複合法等手段通過共價鍵和非共價鍵形式製備各種聚矽烷/MoS2導電高分子材料，主要包括MoS2夾層聚矽烷，MoS2納米管內嵌聚矽烷，單層MoS2邊緣接枝聚矽烷，不同結構MoS2與聚矽烷的物理共混等。研究過程中，綜合運用材料學、化學與物理學的相關知識，對聚矽烷/MoS2導電高分子材料進行理論和實驗研究：一方面通過理論計算預測出具有特定帶隙穩定性高的聚矽烷和MoS2的最佳結構組合，指導實驗並解釋實驗現象；另一方面用實驗驗證理論，並結合理論計算結果提出導電機理，討論結構與導電性能之間的關係。這將為我國在研發具有矽材料和鉬材料共同優點的電子信息材料方面作出前瞻性工作。

結題摘要

首先，本課題利用物理法和化學接枝法成功製備了一系列MoS2-聚矽烷複合材料。 物理法：通過剝層-重堆積法製備了相應的三大類鏈狀、枝狀、網狀13種聚矽烷/MoS2夾層複合材料，聚矽烷與MoS2兩者的質量比分別為1/1、1/2、1/4、1/6、2/1、4/1和6/1。 傳統接枝法：基於雙鍵-巰基點擊反應原理，採用光引發和熱引發兩種方式，製備烷硫基聚矽烷。其中，硫醇包括丙硫醇、正丁硫醇、正十二硫醇和1,6-己二硫醇，聚矽烷包括聚甲基乙烯基矽烷、聚甲基乙烯基-二苯基矽烷等含有乙烯基的聚矽烷。利用MoS2剝層後在邊緣形成的缺陷，通過超聲反應使烷硫基聚矽烷通過S連線到MoS2上。 共價接枝法：利用MoS2剝層後帶負電，能夠與帶正電分子形成MoS2接枝複合物。首先利用伍茲偶合法製備含氯聚矽烷，然後以含氯聚矽烷為原料與剝層後的MoS2反應，生成Si-S鍵，製得MoS2接枝聚矽烷複合物。本研究用此法完成了MoS2與3類共13種聚矽烷的接枝。 分別對複合材料進行了X-射線衍射、紅外光譜、能譜、XPS、SEM及TEM等檢測，均證明複合材料研製成功。電導率測定結果表明，MoS2接枝聚矽烷後導電性能得到了提升，且MoS2分別接枝線型、枝狀、網狀聚矽烷複合物的導電性能依次增強。物理法夾層後MoS2層間距均由原來0.613nm增大到1nm左右。複合材料的導電性隨著複合材料中MoS2比例的增加以及二者之間相互作用發生了明顯的提高，MoS2的電導率為4.98×10-4 S•cm-1，夾層後電導率可達1.67×100 S•cm-1（聚矽烷/MoS2=1/6）。 其次，運用密度泛函理論和非平衡格林函式方法，研究了聚矽烷夾層在MoS2層間和內嵌到MoS2納米管中對電子結構和輸運性質的影響，從能帶、態密度、傳輸譜、I-V曲線、電壓降等方面進行了討論。結果發現未摻雜聚矽烷的引入能微調體系的導電性，當聚矽烷摻雜B或P後，通過調整摻雜比例和位置實現對異質結構導電性的調控。研究了MoS2/矽烯異質結的光電性質，發現其可作為太陽能電池器件的儲能材料。另外還考察了系列疊層金屬配合物被封裝在MoS2納米管中和接枝在MoS2表面對電子結構、輸運性質和磁性的影響，在這些材料中均發現了奇異的半金屬性和磁性。