摘 要

二维材料因为自身独特的结构，具有优异的电学、磁学、热学性能，所以引起了国内外学者的广泛关注。在二维材料中，二维钙钛矿材料具有优秀的介电、铁电和压电等性能，在电容器、柔性器件、光电器件等方向有很大的应用。目前对二维钙钛矿的研究和应用主要集中在Ca₂Nb₃O₁₀和LaNb₂O₇，对Sr₂Nb₃O₁₀的研究较少。本文在制备二维钙钛矿工艺的基础上，探索可控制备二维钙钛矿Sr₂Nb₃O₁₀的工艺。通过不同的烧结温度的XRD数据对比，确定了烧结合成KSr₂Nb₃O₁₀层状相的最佳温度为1200 ℃，并研究了在此温度不同的烧结时间对烧结的影响。通过使用不同的离子交换方法，找出了合适制备质子相的方法。在对质子相的研究中，通过热重分析得出质子相含有摩尔数为1.3的结晶水。最后使用四丁基氢氧化铵，通过液相剥离法制备了单层的Sr₂Nb₃O₁₀二维纳米片，并使用AFM对纳米片的大小和厚度进行了表征。

本文通过实验探索得到了制备Sr₂Nb₃O₁₀二维钙钛矿的工艺流程，得到了单层的Sr₂Nb₃O₁₀二维纳米片，并对组成、结构以及性能进行了分析与表征，为二维无机钙钛矿的进一步应用研究了提供新的材料体系。

关键词：二维材料；钙钛矿；质子相

Abstract

Because of its unique structure and its excellent electrical, magnetic and thermal properties, two-dimensional materials have attracted wide attention from scholars at home and abroad. Among two-dimensional materials, two-dimensional perovskite materials have excellent dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties, and have great applications in capacitors, flexible devices, and optoelectronic devices. At present, the research and application of two-dimensional perovskite are mainly concentrated on Ca₂Nb₃O₁₀ and LaNb₂O₇, and there are few studies on Sr₂Nb₃O₁₀. Based on the preparation of two-dimensional perovskite process, this paper explores the process of controlling two-dimensional perovskite Sr₂Nb₃O₁₀ and studies the stability of its proton phase. Through the comparison of XRD data of different sintering temperatures, the optimum temperature of high temperature sintering synthesis precursor KSr₂Nb₃O₁₀ was found to be 1200 °C, and the effect of sintering time at different temperatures on sintering was investigated. A method for preparing a proton phase is found by using different ion exchange methods. In the study of the proton phase, the proton phase contained crystal water having a molar number of 1.3 by thermogravimetric analysis. The existence of the mesophase was found and proved in the study, and the reversible transformation of HSr₂Nb₃O₁₀ with the proton phase was found. Finally, a single layer of Sr₂Nb₃O₁₀ two-dimensional nanosheets was prepared by liquid phase stripping method using tetrabutylammonium hydroxide as dispersant. The size and thickness of the nanosheets were characterized by AFM.

In this paper, the process of preparing Sr₂Nb₃O₁₀ two-dimensional perovskite was obtained through experiments. A single layer of Sr₂Nb₃O₁₀ two-dimensional nanosheets was obtained. The composition, structure and properties were analyzed and characterized, which is further for two-dimensional inorganic perovskite. Application studies have provided new material systems.

Key Words：two-dimensional material；perovskite；Proton phase

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1二维材料 1

1.1.1单层原子二维材料的结构和性能 1

1.1.2多原子层二维材料的结构和性能 2

1.2二维材料的合成 2

1.2.1化学气相沉积法 2

1.2.2机械剥离法 3

1.2.3液相剥离法 3

1.3钙钛矿材料 3

1.3.1钛酸钡 4

1.3.2有机/无机杂化钙钛矿 4

1.3.3层状钙钛矿 4

1.4二维钙钛矿材料 5

1.4.1二维钙钛矿材料的合成 5

1.4.2二维钙钛矿材料的性能 5

1.5 LB膜组装技术 6

1.6二维钙钛矿材料的应用 7

1.6.1高介电电容器 7

1.6.2高表面积催化剂 7

1.7本文的研究内容 7

第2章 实验与测试技术 9

2.1 化学药品与实验仪器 9

2.1.1 化学药品 9

2.1.2 制备样品的实验设备 9

2.2 材料制备合成工艺 9

2.2.1高温烧结合成陶瓷粉末 9

2.2.2离子交换制备质子相 10

2.2.3液相剥离 10

2.2.4 Langmuir-Blodgett膜自组装技术 10

2.3 结构和成分测试方法 11

2.3.1 X射线衍射仪（XRD） 11

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 11

2.3.3 原子力显微镜（AFM） 11

2.3.4综合热分析仪 11

第3章 二维无机钙钛矿Sr₂Nb₃O₁₀的制备与表征 12

3.1 引言 12

3.2 层状相KSr₂Nb₃O₁₀的制备与表征 12

3.2.1固相烧结的温度 12

3.2.2固相烧结的时间 15

3.2.3层状相KSr₂Nb₃O₁₀的表征 16

3.3质子相HSr₂Nb₃O₁₀·nH₂O的制备与表征 18

3.3.1离子交换制备质子相HSr₂Nb₃O₁₀·nH₂O 18

3.3.2质子相HSr₂Nb₃O₁₀·nH₂O的性质测试 20

3.4 Sr₂Nb₃O₁₀纳米片的制备与表征 21

第4章 结论与展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1二维材料

二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100 nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯（graphene）^[1] 而提出的。在二维材料中，由于独特的平面二维结构，电子或者声子在c轴方向上的运动受到限制，所以能表现出独特的电学性能和热学性能。另外，如果构成二维材料的材料本身具有铁电、介电、压电和铁磁等性能，并且制成的二维材料能够保持原来的结构和性质，那么有望获得具有优异的导热和介电等性能的二维材料。二维材料在光电材料，新型半导体元件，新型储能器件等方面有很大的应用前景。

1.1.1单层原子二维材料的结构和性能

石墨烯是典型的单层原子二维材料，也是目前研究较多的二维材料。石墨烯最初是通过胶带机械剥离法从石墨中分离制得的，Geim等人的工作证明了单层碳原子石墨烯可以稳定存在。

在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个碳原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环，六边形环沿平面伸展成片层结构，层与层之间通过范德华力连接，距离较大。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠。石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。石墨的导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨优良的导热、导电性能，是因为在层内电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以能导热和导电。