[發(fā)明專利]一種石墨烯膜及石墨烯復(fù)合碳膜的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210036207.5
• 申請日: 2012-02-17
• 公開（公告）號: CN102557728A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳禮清;張兆春;李建林;周健剛;陳錦濤
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: C04B41/50
• 分類號: C04B41/50
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯膜及石墨烯復(fù)合碳膜的制備方法，更具體的說，是一種靜電噴霧和熱處理在硅基板表面制備石墨烯膜及無定形碳包裹石墨烯的復(fù)合碳膜的制備方法。屬半導(dǎo)體薄膜制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石墨烯是一種只有單層原子厚度，具有蜂窩結(jié)構(gòu)的二維碳原子晶體的碳質(zhì)材料。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能(室溫電子遷移率可達200000?cm²?V^-1?S^-1)，熱力學(xué)性能(導(dǎo)熱率達5000?Wm^-1K^-1)、機械性能(楊氏模量為1100?GPa，斷裂強度為125?GPa)，以及特殊的量子霍爾效應(yīng)和量子遂穿效應(yīng)等物理性質(zhì)，使其有望成為制備下一代微電子器件的新材料，在催化、鋰電池、探測器等方面具有良好的應(yīng)用前景。靜電噴霧和基板加熱法制備以硅襯底為基板的薄膜所要求的設(shè)備較為簡單，可以大面積生長，便于加工。因此用石墨烯膜及無定形碳包裹石墨烯的復(fù)合碳膜制成的微電子器件將有著非常廣闊的潛在應(yīng)用價值。

目前石墨烯膜的制備主要有CVD法和外延法。這兩種方法所使用設(shè)備昂貴及原料成本較高。靜電噴霧法是溶膠-凝膠技術(shù)和靜電噴霧相結(jié)合應(yīng)用于制備膜的一種典型方法。我們初步的研究發(fā)現(xiàn)，通過靜電噴霧和基板加熱法制備的膜和基板附著性較好及具有多孔的特性，有望獲得較高的比表面積和較好的電學(xué)性能。相對于其他方法，靜電噴霧和基板加熱法具有制膜溫度低、均勻性較好、設(shè)備價格低等優(yōu)點。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種靜電噴霧結(jié)合基板加熱工藝制備石墨烯及石墨烯復(fù)合碳膜的制備方法，后者是石墨烯復(fù)合碳膜即是由無定形碳包裹石墨烯的復(fù)合碳膜。

本發(fā)明主要以石墨粉、1-甲基-2-吡咯烷酮和聚丙烯腈為原料，采用靜電噴霧結(jié)合基板加熱工藝制備石墨烯及石墨烯復(fù)合半導(dǎo)體碳膜。

本發(fā)明為一種石墨烯及石墨烯復(fù)合半導(dǎo)體膜的制備方法，其特征在于以下的制備過程和步驟：

（一）?前驅(qū)體溶液的配制

（a）?將一定量石墨粉分散于1-甲基-2-吡咯烷酮中，配制成濃度為0.03?g/ml溶液以備用；

（b）?取上述溶液100?ml，在室溫經(jīng)低功率超聲清洗器超聲78?h得到石墨烯分散液；

（c）?將上述分散液經(jīng)過12?h靜置沉淀后，再經(jīng)過離心得到穩(wěn)定分散的石墨烯分散液，標記為前驅(qū)體液A，保存?zhèn)溆茫?/p>

（d）?另外，按照所需摻雜濃度加入適量的聚丙烯腈到上述的石墨烯分散液中，攪拌約5?h后得到的溶液標記為前軀體溶液B；

（二）?硅片的清洗

先用乙酸乙脂將帶有氧化層的硅片漂洗30?min，之后在丙酮中浸泡30?min，然后先后用乙醇、水超聲清洗10?min后取出來，在紅外燈下烘烤10?min左右。可獲得干凈的可供使用的帶有氧化層的硅片；

（三）?膜的成型

（a）?石墨烯膜：將上述前驅(qū)體溶液A用注射器吸取5?ml放在微注射泵上，調(diào)節(jié)液體流速使前驅(qū)液均勻噴霧沉積在硅片襯底上；硅片襯底放在熱板上加熱，溫度控制在200?°C左右，經(jīng)過約30?h的電噴霧沉積形成膜；根據(jù)所需薄膜厚度，可以控制上述操作的電噴霧時間；將電噴膜置于馬弗爐中在200?°C溫度下熱處理并保溫6?h；然后在空氣中自然冷卻，最終獲得發(fā)達多孔且與硅基板附著性良好、無序石墨烯堆積在硅基板上的石墨烯膜；

（b）?石墨烯復(fù)合碳膜：將上述前驅(qū)體溶液B用注射器吸取5?ml放在微注射泵上，調(diào)節(jié)液體流速使前驅(qū)液均勻噴霧沉積在硅片襯底上；硅片襯底放在熱板上加熱，溫度控制在200?°C左右，經(jīng)過約30?h的電噴霧沉積形成膜；根據(jù)所需薄膜厚度，可以控制上述操作的電噴霧時間；將電噴膜置于真空爐中在1000?°C溫度下碳化處理并保溫2?h；最終獲得發(fā)達多孔的膜且與硅基板附著性良好的無定形碳包裹石墨烯的復(fù)合碳膜。

本發(fā)明所述石墨烯及石墨烯復(fù)合半導(dǎo)體碳膜具有以下特點：

(1)?使用本方法成功地制備出了較均勻、連續(xù)的多孔石墨烯膜及石墨烯復(fù)合碳膜。石墨烯膜是無序的石墨烯堆積在基板上具有疏松多孔的特性，而無定形碳包裹石墨烯的石墨烯復(fù)合碳膜具有較致密和優(yōu)異的電學(xué)特性。