[發明專利]一種摻雜石墨烯的制備方法及其用途

有效

• 申請號: 201010577424.6
• 申請日: 2010-12-02
• 公開（公告）號: CN102486993A
• 公開（公告）日: 2012-06-06
• 發明（設計）人: 宮建茹;郭北斗
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 劉丹妮;郭廣迅

技術領域

本發明涉及一種制備摻雜石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是一種具有六方點陣蜂窩狀二維結構，由sp²雜化碳原子構成的單層原子石墨薄片。石墨烯理論方面的研究已經開展了很多年，實驗方面卻一直沒有進展。然而自從曼徹斯特大學的A.K.Geim教授及其合作者在2004年用機械剝離方法制備出石墨烯，實驗方面的研究才真正的開始，并且很快成為當前納米電子學、凝聚態物理和材料科學研究的熱點。石墨烯特殊的結構使得它具有許多優異的性質，比如：雙極場效應特性、室溫量子霍爾效應、極高的載流子遷移率、較大的比表面積、較高的熱導率等。因此，石墨烯在高速射頻邏輯和單電子器件、熱導和電導率的復合材料、傳感器、透明電極、太陽能電池等領域具有巨大的潛在應用價值。科學家指出，在將來極有可能取代硅，成為優越的電子材料。

然而由于吸附作用石墨烯通常是p型材料。要想在電子工業等領域得到廣泛應用，必須實現石墨烯的摻雜，從而得到電學性質可控的摻雜石墨烯。目前，戴宏杰通過電熱、劉云圻通過化學氣相沉積實現了石墨烯的摻雜(Xinran?Wang等人，N-Doping?of?Graphene?Through?ElectrothermalReactions?with?Ammonia.Science，2009，324，768-771；Dacheng?Wei等人，Synthesis?of?N-Doped?Graphene?by?Chemical?Vapor?Deposition?and?ItsElectrical?Properties.Nano?Lett.，Vol.9，No.5，2009)，但是這些摻雜方法都有一定局限性，比如工藝條件復雜而不適合產業化，得到的摻雜石墨烯性能指標低等。

因此，目前存在對簡單可靠、適合大規模工業生產的摻雜石墨烯制備方法的需求。

發明內容

為有助于理解本發明，下面定義了一些術語。本文定義的術語具有本發明相關領域的普通技術人員通常理解的含義。

除非另外說明，本發明中所用術語“摻雜元素”是指摻雜進入石墨烯的元素，主要指氮、硼、磷中的一種，或者這三種元素的任意組合。

除非另外說明，本發明中所用術語“缺陷”具有晶體學的通常定義，本文中具體指石墨烯的完整結構被破壞從而出現的缺陷，例如碳原子缺失導致石墨烯的碳原子之間的化學鍵不是完整石墨烯結構的結合方式。

除非另外說明，本發明中所用術語“含有摻雜元素的氣氛”指一種氣氛，在該氣氛中含有至少一種要摻雜的元素，所述氣氛可以直接提供于反應環境中，也可通過提供固體化合物，然后使所述化合物在一定溫度下產生含有摻雜元素的氣體來提供。

本發明的目的是提供一種制備摻雜石墨烯的方法。本發明的另一個目的是提供根據上述方法所制備的產品。本發明的又一個目的是提供所述產品的用途。

針對上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

一方面，本發明提供一種摻雜石墨烯的制備方法，所述方法包括以下步驟：

1)處理石墨烯，使石墨烯產生缺陷；

2)在含有摻雜元素的氣氛中，對經步驟1)處理的石墨烯進行退火處理。

其中，所述處理石墨烯優選通過離子注入、等離子體轟擊和/或刻蝕進行。

現有的石墨烯結構是非常完整的，很少或者基本沒有缺陷，因此需要一種手段使石墨烯產生缺陷，離子注入和等離子體轟擊和/刻蝕都可以產生高能離子，都可以破壞石墨烯的結構，從而使石墨烯產生可以摻進要摻雜元素的空位。

優選地，所述離子注入包括：將石墨烯在真空條件下注入離子；優選地，所述真空條件為不小于10^-4Mpa的真空度。

優選地，所述等離子體轟擊和/或刻蝕包括：將石墨烯在真空條件下進行等離子體輻照；優選地，所述真空條件為不小于10^-4Mpa的真空度。

所產生的缺陷為在石墨烯結構中產生碳原子缺失。

優選地，在上述制備方法中，所述含有摻雜元素的氣氛中至少含有一種要摻雜的元素，所述元素選自氮、磷和硼。

其中，所述含有摻雜元素的氣氛中的摻雜元素是直接以氣體形式分解后提供于氣氛中的，或者在退火環境下由固體化合物產生包含摻雜元素的氣體來提供的。

優選地，所述含有摻雜元素的固體化合物為包含N，P，B的一種或任意多種的化合物。