[發(fā)明專利]一種基于自由基反應(yīng)低溫制備石墨烯的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210164314.6
• 申請(qǐng)日: 2012-05-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102674335A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡平安;李俊杰;張榮福;王曉娜;李曉超;王立峰;張甲;文振忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04
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• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯(Graphene)是在2004年發(fā)現(xiàn)的一種新型碳材料，其碳原子是以sp²方式雜化形成六邊形密排狀二維晶體結(jié)構(gòu)，在二維平面上碳原子未成鍵P軌道在整個(gè)平面上形成了大π鍵。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有一系列特殊的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)性質(zhì)。如其載流子的遷移速率可達(dá)2×10⁵cm².V^-1.s^-1，比硅快100倍，比砷化鎵快20倍，且不隨溫度變化；在石墨烯中電子的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)1×10⁶m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子在其它導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度；彈性模量高達(dá)1060GPa，是結(jié)構(gòu)鋼的200倍。此外，單層石墨烯在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)吸收率僅為2.3%。石墨烯這些優(yōu)異的性能使其在納米電子器件、復(fù)合材料、電極材料等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。

石墨烯的優(yōu)點(diǎn)：1、石墨烯比表面積高達(dá)2630m²/g，組成石墨烯的原子都在其表面，易于吸附原子和分子，使得其在氣體存儲(chǔ)，高靈敏度傳感器中有廣泛的應(yīng)用；?2、導(dǎo)電性能好，源于石墨烯本身的載流子傳輸速度；3、強(qiáng)度高，石墨烯擁有1060GPa的彈性模量，使得石墨烯薄膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度；4、石墨烯薄膜厚度很小透光率高，單層的石墨烯僅為0.34nm，550nm時(shí)透光率大于97%,?使其在透明電極材料方面有廣泛的應(yīng)用；5、穩(wěn)定性高，由于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，使得石墨烯在900K空氣中能穩(wěn)定存在，又可以在溫度小于5K的環(huán)境中保持導(dǎo)電性。所以石墨烯薄膜在蛋白質(zhì)檢測(cè)、生化檢測(cè)、電極材料、氣體傳感、復(fù)合材料等方面擁有良好的應(yīng)用前景。而對(duì)石墨烯薄膜進(jìn)行摻雜，可以改變其載流子濃度、電子遷移率和能帶寬帶寬度等諸多電學(xué)性質(zhì)，對(duì)拓寬其應(yīng)用范圍有很大的幫助。

目前制備石墨烯薄膜的方法主要有機(jī)械剝離法、化學(xué)剝離法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）。在一定范圍內(nèi)它們各具優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺點(diǎn)，如使用機(jī)械剝離法制備的石墨烯方法可以制備微米大小的石墨烯，但是其可控性較低，且產(chǎn)率很低，很難制備出單層石墨烯，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成。而采用外延生長(zhǎng)法，如通過(guò)加熱SiC（0001）單晶表面在SiC表面上外延生長(zhǎng)石墨烯結(jié)構(gòu)，雖然這種擔(dān)載的石墨烯可以通過(guò)光刻過(guò)程直接做成電子器件，但是由于SiC晶體表面在高溫加熱過(guò)程中表面容易發(fā)生重構(gòu)，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以獲得大面積、厚度均一的石墨烯。而化學(xué)氣相沉積法（CVD）雖然提供了一條有效的途徑來(lái)可控地合成和制備石墨烯薄膜的途徑，但其生長(zhǎng)溫度均在1000℃以上，這既增加了制備成本和時(shí)間，也對(duì)制備儀器即材料提出了更高的要求。所以現(xiàn)有技術(shù)制備的石墨烯薄膜制備技術(shù)存在反應(yīng)溫度高、成本高、產(chǎn)率低、耗時(shí)長(zhǎng)、要求實(shí)驗(yàn)條件苛刻的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)制備的石墨烯薄膜制備技術(shù)存在反應(yīng)溫度高、成本高、產(chǎn)率低、耗時(shí)長(zhǎng)、要求實(shí)驗(yàn)條件苛刻的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于自由基反應(yīng)低溫制備石墨烯的方法。

本發(fā)明的基于自由基反應(yīng)低溫制備石墨烯的方法，是按以下步驟完成的：

一、處理催化基底表面：

①、將厚度為25~200μm的金屬片剪裁成需要的大小，并將其放入裝有冰醋酸的容器中；然后放在目標(biāo)溫度為30~60℃的熱臺(tái)下加熱5~30min；

②、將步驟①中的金屬片從容器中取出，并用去離子水將冰醋酸洗凈；

③、將步驟②中的金屬片放入烘箱中烘干，待用；

二、制備石墨烯薄膜：

①、將步驟一中所處理好的金屬片與碳源分別放入真空管式爐的不同加熱區(qū)段位置，中間放入石英棉隔絕溫度；

②、用真空泵將真空管式爐抽成低壓，為0.001~0.02標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，然后通入氫氣與氬氣對(duì)碳源催化劑基底進(jìn)行保護(hù)，氫氣與氬氣的流量比為1:1~10，且保持管式爐內(nèi)的低壓狀態(tài)；

③、打開(kāi)金屬片處在的加熱區(qū)段，加熱至1035℃，在該溫度下保持20~30min，將金屬片進(jìn)行褪火處理；

④、停止加熱，將金屬片自然冷卻至200~600℃，同時(shí)加熱碳源所處在的加熱區(qū)段，加熱至90~110℃，碳源蒸汽隨氫氣流動(dòng)與金屬片接觸進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為5~30min；

⑤停止加熱，將管式爐自然冷卻至室溫；

三、轉(zhuǎn)移石墨烯至所需基底：

①、將步驟二制備的帶有石墨烯薄膜的金屬片基從管式爐中取出，放入旋涂?jī)x中滴加含有PMMA的苯甲醚溶液進(jìn)行旋涂；

②、將步驟①中的金屬片放入氧氣等離子刻蝕機(jī)中刻蝕30s~5min；