[發(fā)明專利]一種石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜的制備方法

有效

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• 申請日: 2012-05-29
• 公開（公告）號(hào): CN102660740A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭新立;朱圣清;張彤;湯銓;劉建雙
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C28/00
• 分類號(hào): C23C28/00;H01L31/0224;B82Y30/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

近年來，石墨烯和金屬納米顆粒由于其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和催化作用以及生物相容等特性在納米科技領(lǐng)域引起了廣泛的興趣，在電子輸運(yùn)器件、?電極電容器件、?傳感器、單分子檢測、光伏增效以及復(fù)合材料等領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景。

金屬納米顆粒的特殊性質(zhì)如表面等離子體激元效應(yīng)是由于納米顆粒表面自由電子受入射電磁波（或入射光）中電場分量激勵(lì)，而產(chǎn)生相互作用，形成表面等離子體激元。這種表面等離子體激元可產(chǎn)生增幅高于入射電磁波（或入射光）???????????????????????????????????????????????-倍的局域電場強(qiáng)度。由于局域高電場強(qiáng)度有益于單分子拉曼檢測信號(hào)的放大和改善太陽能器件對入射光的吸收率，而一度成為生物分子檢測和光伏增效領(lǐng)域中的技術(shù)熱點(diǎn)。在生物檢測領(lǐng)域，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬納米顆粒相互靠近產(chǎn)生耦合時(shí)，可改變納米材料的光學(xué)性能，并能進(jìn)一步提高金屬納米顆粒表面局域的電場強(qiáng)度，從而提高分子拉曼檢測信號(hào)強(qiáng)度，然而金屬納米顆粒間的極小距離（10納米以下）在納米材料制備技術(shù)方面較為困難，通過傳統(tǒng)納米光刻技術(shù)一般只能做到10納米以上距離，所以精確控制納米顆粒間的耦合距離是納米技術(shù)領(lǐng)域的一大難題之一。在新興光伏領(lǐng)域，金屬納米顆粒由于局域光場作用而產(chǎn)生的陷光效應(yīng)可廣泛應(yīng)用于太陽能電池增效技術(shù)。2008年，期刊Applied?Physics?Letters第93卷073307期曾報(bào)道利用氧化銦錫表面制備一層金納米顆粒來增加太陽能電池對入射光的陷光作用，使電池效率相對提高21%。然而，金屬納米顆粒薄膜由于顆粒的分散性無法作為獨(dú)立的增效電極使用，一般采用氧化銦錫/金屬納米顆粒復(fù)合薄膜作為透明電極使用。而氧化銦錫中的銦是一種稀有材料且具有一定的毒性，隨著銦資源的減少，勢必不利于光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

石墨烯具有六邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的光學(xué)透明性和導(dǎo)電性，現(xiàn)有的制備技術(shù)上可制備出單原子層或數(shù)原子層疊加的高品質(zhì)石墨烯，厚度為數(shù)埃到幾個(gè)納米之間。利用石墨烯的這些特性及金屬納米顆粒的表面等離子激元效應(yīng)，開發(fā)出一種石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜可有效地解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的不足，提供一種石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜的制備方法。本發(fā)明中石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜采用石墨烯薄膜、金屬納米顆粒薄膜疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用石墨烯厚度的可控性來形成金屬納米顆粒之間極小距離（10納米以下）的表面等離子體耦合作用，得到更強(qiáng)的局域電場強(qiáng)度。并且由于石墨烯的高導(dǎo)電性和光學(xué)透明性從而可作為分子拉曼信號(hào)檢測基底或透明增效導(dǎo)電電極應(yīng)用于生物檢測和光伏增效領(lǐng)域。

技術(shù)方案：為控制納米顆粒之間的耦合距離以及解決太陽能電池增效透明電極問題，本發(fā)明提供了一種制備石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案可根據(jù)以下方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明的石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜主要包括：第一石墨烯薄膜層、第二石墨烯薄膜層、第三石墨烯薄膜層、第一金屬納米顆粒薄膜層和第二金屬納米顆粒薄膜層；石墨烯薄膜層和金屬納米顆粒薄膜層這兩種薄膜材料相互交替疊加形成石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜，并與基底材料構(gòu)成整體，作為分子拉曼信號(hào)檢測基底或透明增效的太陽能電池電極。

所述的基底材料采用硅片或石英玻璃。

本發(fā)明的一種石墨烯和金屬納米顆粒復(fù)合薄膜的制備方法主要包含5個(gè)步驟:

a、首先利用化學(xué)氣相沉積法在銅或鎳金屬基底上外延生長一層石墨烯薄膜，石墨烯薄膜厚度為數(shù)埃到幾十納米，通過溶液腐蝕掉金屬基底方式得到第一石墨烯薄膜層，并轉(zhuǎn)移至基底材料的表面上；

b、把第一石墨烯薄膜層及基底材料整體作為直流電極采用電泳方法放入含有金屬納米顆粒溶液中，在第一石墨烯薄膜層表面制備第一金屬納米顆粒薄膜層，或以第一石墨烯薄膜層及基底材料為整體在第一石墨烯薄膜層表面真空蒸鍍一層金屬納米薄膜并高溫退火得到第一金屬納米顆粒薄膜層；

c、在第一金屬納米顆粒薄膜上再鋪覆一層化學(xué)氣相沉積法制備的第二石墨烯薄膜層；

d、在第二石墨烯薄膜層上利用電泳方法或真空蒸鍍并退火的方法制備一層第二金屬納米顆粒薄膜層；

e、在第二金屬納米顆粒薄膜層上再次鋪覆一層化學(xué)氣相沉積法制備的第三石墨烯薄膜層。