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1、二硫化钼二硫化钼（MoS2）的结构与应用）的结构与应用 目目 录录1 前言前言2 MoS2的结构与制备的结构与制备3 MoS2的性能的性能4 MoS2的应用的应用5 小结小结1985年，人们首次发现了年，人们首次发现了C60笼型结构，如笼型结构，如图图1。图1 C60笼型结构1 前前 言言图图1 C60笼型结构笼型结构1991年，日本人宣告了碳纳米管年，日本人宣告了碳纳米管是一些是一些石墨层卷曲形成的同心圆柱构成的中空管石墨层卷曲形成的同心圆柱构成的中空管状结构状结构的发现。的发现。图2 碳纳米管结构示意图（图片来源）图2 碳纳米管结构示意图（图片来源）“如果你错过了石墨烯，就不要再错过辉如果
2、你错过了石墨烯，就不要再错过辉钼了钼了!”这句话出现在这句话出现在2月月25日的中财网的一篇文章日的中财网的一篇文章上，反映了辉钼材料在某些方面已经可以上，反映了辉钼材料在某些方面已经可以和富勒烯相媲美甚至有超越的迹象。和富勒烯相媲美甚至有超越的迹象。辉钼有望代替硅成为新一代半导体材料辉钼有望代替硅成为新一代半导体材料这是今年这是今年2月月2日出现在科技日报上的一篇文日出现在科技日报上的一篇文章。章。文章报道，瑞士洛桑联邦理工学院文章报道，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）纳米电子学与结构（）纳米电子学与结构（LANES）实）实验室称，用一种名为辉钼的材料制造半导体，验室称，用一种名为辉钼的材料
3、制造半导体，或用来制造更小、能效更高的电子芯片，在或用来制造更小、能效更高的电子芯片，在下一代纳米电子设备领域，将比传统的硅材下一代纳米电子设备领域，将比传统的硅材料或富勒烯更有优势。料或富勒烯更有优势。它是一种二维材料，很容易用在纳米技术它是一种二维材料，很容易用在纳米技术上，在制造微型晶体管、发光二极管上，在制造微型晶体管、发光二极管（LEDs）、太阳能电池等方面有很大潜力）、太阳能电池等方面有很大潜力 那辉钼材料具体是哪一种材料呢？那辉钼材料具体是哪一种材料呢？ 它就是它就是MoS2受受C60和碳纳米管的启发，以色列魏兹和碳纳米管的启发，以色列魏兹曼科学院科学家曼科学院科学家R.Tenn
4、e 领导的研究小领导的研究小组于组于1993 年合成了年合成了IF-MoS2纳米颗粒纳米颗粒与纳米管。（与纳米管。（IF：无机富勒烯）：无机富勒烯）图图3 辉钼矿石辉钼矿石来自来自http:/ 2 结构与制备结构与制备 2.1 结构结构MoS2之所以能够形成富勒烯结构纳米粒子之所以能够形成富勒烯结构纳米粒子和纳米管是由于其具有像石墨一样的层状和纳米管是由于其具有像石墨一样的层状结构。结构。MoS2属于六方晶系，是一种抗磁性且具有属于六方晶系，是一种抗磁性且具有半导体性质的化合物，其半导体性质的化合物，其Mo-S棱面相棱面相当多，当多，比表面积大。比表面积大。图4 MoS2层的结构示意图Mo原子
5、S原子图图4 MoS2层的结构示意图层的结构示意图Mo原子S原子有文献报道，有文献报道，已经知道已经知道MoS2有四种结晶形有四种结晶形态。即态。即3H，2H，2H2和和2T型，型，其中只有其中只有2H型型的结晶才有润的结晶才有润滑性。滑性。Mo原子原子S原子原子图图5 2H型型MoS2结构结构组组合合单单元元第一夹芯层第一夹芯层第二夹芯层第二夹芯层第三夹芯层第三夹芯层第四夹芯层第四夹芯层不同尺寸的纳米粒子是多层结构形成的空心不同尺寸的纳米粒子是多层结构形成的空心颗粒；多壁纳米管是同轴不同直径的单壁纳颗粒；多壁纳米管是同轴不同直径的单壁纳米管套装而成。米管套装而成。图图 6 准球型的笼状准球型
6、的笼状MoS2纳米粒子纳米粒子2.2 制备制备 现在国内外出现了很多制备纳米现在国内外出现了很多制备纳米MoS2的方的方法，一般可分为化学法、物理法和最近兴法，一般可分为化学法、物理法和最近兴起的单层起的单层MoS2重堆积法。重堆积法。 2.2.1 化学法化学法还原法：适宜的还原剂可将还原法：适宜的还原剂可将Mo6+与与Mo5+还还原成原成Mo4+，通过控制反应条件，生成的，通过控制反应条件，生成的MoS2可达纳米级。可达纳米级。氧化法：氧化法：MoCl3自身可氧化制备出自身可氧化制备出MoS2，反反应式如下应式如下：2.2.2 单层二硫化钼重堆积法单层二硫化钼重堆积法重堆积法一般分为三步：重
7、堆积法一般分为三步： MoS2 MoS2-IC 单层单层MoS2x- 新的新的 MoS2-IC直接插入法直接插入法直接插入法直接插入法离层离层重堆积法重堆积法3 性能性能MoS2可以被合成多种形式的无机结构，如可以被合成多种形式的无机结构，如纳米粒子、单壁纳米管和多壁纳米管。纳米粒子、单壁纳米管和多壁纳米管。MoS2形成的富勒烯纳米粒子和纳米管因独形成的富勒烯纳米粒子和纳米管因独特的微观结构，决定了其有许多新奇的性特的微观结构，决定了其有许多新奇的性能。能。3.1 润滑性润滑性 由于由于MoS2和金属之间附着力很强，可以进和金属之间附着力很强，可以进一步通过纳米颗粒的剥片，单分子一步通过纳米颗
8、粒的剥片，单分子MoS2纳纳米层被转移到金属表面上，缓和磨擦和磨米层被转移到金属表面上，缓和磨擦和磨损。损。3.2 防腐防腐 MoS2不溶于水，只溶于王水和煮沸的浓硫不溶于水，只溶于王水和煮沸的浓硫酸，因此镀上一层辉钼的不锈钢能很好的酸，因此镀上一层辉钼的不锈钢能很好的防腐防腐 。3.3 同硅相比体积更小同硅相比体积更小 比硅的体积更小，使得获得同样效果的电子比硅的体积更小，使得获得同样效果的电子运动时，运动时，MoS2可以比硅薄膜更轻薄；辉钼可以比硅薄膜更轻薄；辉钼单分子层是二维的，而硅是一种三维材料。单分子层是二维的，而硅是一种三维材料。 “在一张在一张0.65纳米厚的辉钼薄膜上，电子运纳
9、米厚的辉钼薄膜上，电子运动和在两纳米厚的硅薄膜上一样容易。但动和在两纳米厚的硅薄膜上一样容易。但目前不可能把硅薄膜目前不可能把硅薄膜做得像辉钼薄膜那么做得像辉钼薄膜那么薄。薄。”3.4 同硅相比能耗更低同硅相比能耗更低 比硅的能耗更低，由比硅的能耗更低，由于于MoS2存存在带隙，可在带隙，可以用单层辉钼制造间带通道场效应晶体管，以用单层辉钼制造间带通道场效应晶体管，且在稳定状态下耗能比传统硅晶体管小且在稳定状态下耗能比传统硅晶体管小10万倍。万倍。传统的层状传统的层状2H - MoS2用作固体润滑剂或液用作固体润滑剂或液体润滑剂的添加剂，有非常好的耐摩擦性体润滑剂的添加剂，有非常好的耐摩擦性能
10、，非常低的摩擦系数和磨损量。能，非常低的摩擦系数和磨损量。然而，纯然而，纯2H - MoS2粉在潮湿、含氧的环境粉在潮湿、含氧的环境中有较大的摩擦系数和比中有较大的摩擦系数和比较短的寿命。较短的寿命。IF- MoS2性能性能IF - MoS2纳米粒子具有封闭的球状结构，纳米粒子具有封闭的球状结构，不含有悬空键，因此在潮湿的环境中其摩不含有悬空键，因此在潮湿的环境中其摩擦性能优于擦性能优于2H - MoS2粉。粉。最近研究表明最近研究表明 ： IF - MoS2纳米粒子的摩擦纳米粒子的摩擦学性能在很大范围内，特别是在高负载情学性能在很大范围内，特别是在高负载情况下远远优于况下远远优于 2H -
11、MoS2粉。粉。由于制备的由于制备的IF-MoS2为类球形纳米颗粒，在为类球形纳米颗粒，在摩擦的过程中作滚动，把滑动摩擦变为滚摩擦的过程中作滚动，把滑动摩擦变为滚动和滑动复合摩擦，从而减小摩损。动和滑动复合摩擦，从而减小摩损。 图图7 MoS2滚动摩擦示意图滚动摩擦示意图 图片来自图片来自二硫化钼纳米颗粒的制备与润滑性能研究二硫化钼纳米颗粒的制备与润滑性能研究IF- MoS2比表面积极大，吸附能力更强，反比表面积极大，吸附能力更强，反应活性高，催化性能尤其是催化氢化脱硫应活性高，催化性能尤其是催化氢化脱硫的性能更强，可用来制备特殊催化材料与的性能更强，可用来制备特殊催化材料与贮气材料；贮气材料
12、；IF-MoS2薄层的能带差接近薄层的能带差接近1.78eV，与光的，与光的能量相匹配，在光电池材料上有良好的应能量相匹配，在光电池材料上有良好的应用前景。用前景。MoS2 层间层间插入有机基插入有机基团团后，可形成二后，可形成二维维 纳纳米复合物，米复合物，这这些复合物并不是无机物性些复合物并不是无机物性质质与有机物性与有机物性质质的的简单简单加和，而是表加和，而是表现现出出许许多奇异的特性多奇异的特性。 纳米纳米MoS2的制备同二硫化钼插层化合物与的制备同二硫化钼插层化合物与有机钼化合物的研究相结合将是未来的发有机钼化合物的研究相结合将是未来的发展趋势。展趋势。4 应用应用MoS2纳米粒子
13、由于其独特的微观结构决定纳米粒子由于其独特的微观结构决定了其有许多新奇的性质及广泛的潜在应用，了其有许多新奇的性质及广泛的潜在应用，其中最引人注目的当属其优异的摩擦性质。其中最引人注目的当属其优异的摩擦性质。 图图8 减磨涂层的应用减磨涂层的应用因为因为IF- MoS2可以可以在高真空下继续保持其优在高真空下继续保持其优异的摩擦磨损性质。主要应用于不易维护异的摩擦磨损性质。主要应用于不易维护的设备，如：空间飞行器、卫星及军事领的设备，如：空间飞行器、卫星及军事领域。域。图图9 高精密齿轮箱高精密齿轮箱图图10 Intel公司公司45纳米硅晶片效果图纳米硅晶片效果图图图11 非晶硅太阳能电池薄膜
14、非晶硅太阳能电池薄膜5 小结小结MoS2纳米材料的发现，为钼新材料的开发纳米材料的发现，为钼新材料的开发和应用研究开辟了新的领域，尤其是独特和应用研究开辟了新的领域，尤其是独特的微观结构，决定了许多新奇的性能，从的微观结构，决定了许多新奇的性能，从而产生许多不易预料的潜在用途。而产生许多不易预料的潜在用途。中国是钼材料矿产资源丰富的国家，积极中国是钼材料矿产资源丰富的国家，积极开发这类纳米材料，对于企业提高产品技开发这类纳米材料，对于企业提高产品技术含量，加速产品的升级换代，在未来市术含量，加速产品的升级换代，在未来市场竞争中立于不败之地具有深远的战略意场竞争中立于不败之地具有深远的战略意义。义。
