[發明專利]一種氫氧共摻雜石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201110066335.X
• 申請日: 2011-03-18
• 公開（公告）號: CN102154694B
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 唐利斌;劉樹平;姬榮斌;莊繼勝;宋立媛;陳雪梅;馬鈺;王憶鋒
• 申請（專利權）人: 昆明物理研究所
• 主分類號: C30B29/02
• 分類號: C30B29/02;C30B7/10;C01B31/02
• 代理公司: 昆明祥和知識產權代理有限公司 53114
• 代理人: 和琳

技術領域

本發明涉及石墨烯薄膜制備工藝，尤其是一種氫氧共摻雜型石墨烯薄膜的制備工藝。

背景技術

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結構，其晶體薄膜的厚度只有0.335納米。石墨烯最大的特性是其電子的運動速度超過15000?cm2/V·s，達到了光速的1/300。除此之外，石墨烯對可見光吸收率低，導熱系數高達5300?W/m·K，電阻率比銅和銀低，約為10^-6?Ω·cm，常溫下能觀察到量子霍爾效應，總之，基于它的化學結構，石墨烯具有許多獨特的物理化學性質，如高比表面積、高導電性、機械強度高、易于修飾及大規模生產等。石墨烯的這些性質使得它在透明導電電極、晶體管、集成電路、太陽能電池、高容量電池、新型生物物理器件等領域具有巨大的潛在應用價值。

石墨烯的制備，目前主要有高定向石墨膠帶剝離法、化學氣相沉積法、SiC加熱法、氧化石墨烯還原法等。這些方法各有優缺點，不同的制備方法可以制備不同應用需求的石墨烯材料。其中，化學氣相沉積法能制備較大面積單層或少數幾層石墨烯材料，但這種方法不容易實現元素摻雜。而高定向石墨膠帶剝離法雖然制備簡單，但不能獲得較大面積的石墨烯，因此很難在光電子領域得到應用。

目前石墨烯在光電子領域的應用主要存在的問題是石墨烯具有半金屬的性質，其能帶系為零，其次是石墨烯具有的雙極性。如何把石墨烯的能帶打開，以及如何改變石墨烯的導電類型成為目前石墨烯研究的一個重點。

現有的研究結果表明，將石墨烯尺寸減小，變成石墨烯帶，可以有效打開石墨烯的能帶，該研究結果給石墨烯在光電子領域的應用研究帶來一線曙光。另外，發現摻雜是調控石墨烯電學性質的有效手段之一。但是由于石墨烯完整的二維蜂窩狀結構給其摻雜帶來很大困難。

發明內容

本發明所要解決的是目前石墨烯能帶不易打開，電學性能不易調制，光學性質不易改變，難以實現摻雜，不易生長厚度可控的大面積薄膜的問題，提供一種石墨烯的制備方法，通過該方法制備的石墨烯能夠實現氫氧的共摻雜，解決了石墨烯在光電子領域應用存在的困難。

本發明的一種氫氧共摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于其實現的步驟是：

（1）水熱法合成中間體薄膜，在反應器中加入含有氫、氧和碳元素的物質的水溶液，水熱條件下使反應物縮水聚合，含有氫、氧和碳元素物質的摩爾濃度為0.1～1.0?mol/L，水熱反應溫度為130～220℃，反應時間為1～24小時；

（2）將中間體轉移到襯底上；

（3）對轉移有中間體的襯底進行熱處理，熱處理在真空下進行，或是在氮氣、氬氣、氫氣、空氣、氨氣或氧氣中進行，其熱處理溫度為150～1300℃，時間為30秒～24小時。

所述的含有氫、氧和碳元素的物質是多羥基化合物。

所述的多羥基化合物是葡萄糖、蔗糖或果糖。

所述的襯底是n型硅片、p型硅片、SiO₂/Si片、玻璃片、石英片、藍寶石片、ITO玻璃片或陶瓷片。還包括基于n型硅片、p型硅片、SiO₂/Si片、玻璃片、石英片、藍寶石片、ITO玻璃片或陶瓷片上的電極或讀出電路基片。

所述的反應介質是廉價、安全、環保的去離子水或蒸餾水。

所述的反應器是水熱反應釜。

本發明的氫氧共摻雜石墨烯中間體需要轉移到一定襯底上進行熱處理，才能得到氫氧共摻雜石墨烯，熱處理是控制中間體中氫和氧元素的一個重要手段，也是氫氧共摻雜石墨烯結構調制的一個關鍵。此外，對中間體進行氨氣氛的熱處理是氫氧共摻雜薄膜深層次進行氮摻雜的一個技術手段。

本發明的制備方法具備一下的優點：

（1）能帶可控，氫元素和氧元素的摻入后，通過控制氫氧共摻雜石墨烯薄膜中氫、氧元素，以及材料的結構，可以實現石墨烯能帶的打開，并在一定范圍內達到可控；

（2）石墨烯薄膜厚度可控，光電子器件對材料的要求之一就是活性層需要有一定的厚度，比如制備光電探測器，需要薄膜材料的厚度達到一定程度才能吸收足夠量的光子。本發明可以制備從納米之微米量級的薄膜，從而為制備一定厚度新型光電子器件提供了可能；

（3）石墨烯薄膜的電學調制范圍寬，可以在絕緣體、半導體及類導體范圍內進行八個數量級的電阻率調制，這為光電子器件的制備創造了可能性；