二硫化钼的结构与应用

• 有文献报道， 已经知道MoS2 有四种结晶形 态。即3H，2H ，2H2和2T型 ，其中只有2H 型的结晶才有 润滑性。
S原子
图5 2H型MoS2结构
Mo原子
组 合 单 元
第一夹芯层
第二夹芯层
第三夹芯层
第四夹芯层
不同尺寸的纳米粒子是多层结构形成的空心 颗粒；多壁纳米管是同轴不同直径的单壁纳 米管套装而成。
图2 碳纳米管结构示意图（图片来源 www.ce.cn）
• “如果你错过了石墨烯，就不要再错过辉 钼了!” • 这句话出现在2月25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 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》 这是今年2月2日出现在科技日报上的一篇文 章。 • 文章报道，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL ）纳米电子学与结构（LANES）实验室称 ，用一种名为辉钼的材料制造半导体，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，将比传统的硅材料或 富勒烯更有优势。
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Fra Baidu bibliotek
MoCl3 2Na2S MoS2 1 3 Mo 4NaCl
• 2.2.2 单层二硫化钼重堆积法 • 重堆积法一般分为三步： MoS2
直接插入法
MoS2-IC
重堆积法
离层
单层[MoS2
]x-
新的 MoS2-IC
3 性能
• MoS2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。 • MoS2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 能。
• 3.4 同硅相比能耗更低 比硅的能耗更低，由于MoS2存在带隙，可 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 10万倍。
IF- MoS2性能
• 传统的层状2H - MoS2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 能，非常低的摩擦系数和磨损量。
图3 辉钼矿石 来自http://blog.sina.com.cn/s/blog_624cd50b0100pit5.html
• • • •
熔点1185℃ 密度4.80g／cm3（14℃） 莫氏硬度1.0～1.5 1370℃开始分解，1600℃分解为金属钼和 硫。 • 315℃在空气中加热时开始被氧化，温度升 高，氧化反应加快。 • MoS2不溶于水，只溶于王水和煮沸的浓硫 酸。
• 3.1 润滑性 由于MoS2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MoS2纳 米层被转移到金属表面上，缓和磨擦和磨 损。 • 3.2 防腐 MoS2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 防腐 。
• 3.3 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 子运动时，MoS2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。 “在一张0.65纳米厚的辉钼薄膜上，电子运 动和在两纳米厚的硅薄膜上一样容易。但 目前不可能把硅薄膜做得像辉钼薄膜那么 薄。”
图 6 准球型的笼状MoS2纳米粒子
• 2.2 制备
现在国内外出现了很多制备纳米MoS2的方 法，一般可分为化学法、物理法和最近兴 起的单层MoS2重堆积法。
• 2.2.1 化学法
还原法：适宜的还原剂可将Mo6+与Mo5+还 原成Mo4+，通过控制反应条件，生成的 MoS2可达纳米级。 氧化法：MoCl3自身可氧化制备出MoS2，反 应式如下：
2 结构与制备
2.1 结构
• MoS2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 结构。 • MoS2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Mo-S棱面相当多 ，比表面积大。
Mo原子
S原子
图4 MoS2层的结构示意图
Mo原子
S原子
图4 MoS2层的结构示意图
• 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（ LEDs）、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？ 它就是——
• ——MoS2
• 受C60和碳纳米管的启发，以色列魏兹 曼科学院科学家R.Tenne 领导的研究 小组于1993 年合成了IF-MoS2纳米颗 粒与纳米管。（IF：无机富勒烯）
• 然而，纯2H - MoS2粉在潮湿、含氧的环境 中有较大的摩擦系数和比较短的寿命。
• IF - MoS2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 擦性能优于2H - MoS2粉。 • 最近研究表明 ： IF - MoS2纳米粒子的摩擦 学性能在很大范围内，特别是在高负载情 况下远远优于 2H - MoS2粉。
图8 减磨涂层的应用
• 因为IF- MoS2可以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 护的设备，如：空间飞行器、卫星及军事 领域。
图9 高精密齿轮箱
图10 Intel公司45纳米硅晶片效果图
图11 非晶硅太阳能电池薄膜
5 小结
• MoS2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 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。 • 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 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 义。
二硫化钼（MoS2）的结构与应用
——无机材料结构与性能课堂讨论
目 录
• • • • • 1 前言 2 MoS2的结构与制备 3 MoS2的性能 4 MoS2的应用 5 小结
1 前 言
• 1985年，人们首次发现了C60笼型结构，如 图 1。
图1 C60笼型结构
• 1991年，日本人宣告了碳纳米管—是一些 石墨层卷曲形成的同心圆柱构成的中空管 状结构—的发现。
MoS2 层间插入有机基团后，可形成二维 纳米复合物，这些复合物并不是无机物性 质与有机物性质的简单加和，而是表现出 许多奇异的特性。 纳米MoS2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 展趋势。
4 应用
• MoS2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 ，其中最引人注目的当属其优异的摩擦性 质。
• 由于制备的IF-MoS2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 动和滑动复合摩擦，从而减小摩损。
图7 MoS2滚动摩擦示意图 图片来自《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 与贮气材料； • IF-MoS2薄层的能带差接近1.78eV，与光的 能量相匹配，在光电池材料上有良好的应 用前景。