[發明專利]一種大面積、可圖案化石墨烯的激光制備方法

有效

• 申請號: 201310412379.2
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN103508450A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 鐘敏霖;葉曉慧;張紅軍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;王春霞

技術領域

本發明涉及一種大面積、可圖案化石墨烯的激光制備方法。

背景技術

石墨烯（Graphene）是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀結構,是構成其他維數碳材料的基本結構單元，可以包覆成零維的富勒烯、卷曲成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨。自2004年英國曼徹斯特大學的Geim小組利用膠帶剝離高定向熱解石墨獲得了獨立存在的高質量石墨烯以來，石墨烯被發現具有優異的電學、光學、熱學、力學等特性,在微型計算機、平板顯示器、晶體管、集成電路、超級電容、透明導電電極、傳感器、太陽能電池、微納電子器件、光電子器件、自旋量子器件以及新型復合材料等眾多方面有著廣闊的應用前景。對石墨烯基礎理論、制備技術、性能探索和應用研究是目前的國際研究熱點和各國科技競爭的前沿之一。

石墨烯的制備方法按碳源分類，可分為固相法、氣相法和液相法，其中以固相法中的機械剝離高定向熱解石墨法（HOPG）、氣相法中的化學氣相沉積法（CVD）和液相法中的化學還原氧化石墨烯（RGO）應用最為廣泛。這幾種方法各有優勢，也各自存在一定的不足之處。機械剝離法制備的石墨烯質量高，尺寸一般為幾微米至幾十微米、產率極低，適于微量基礎研究；化學氣相沉積法可制備大面積的石墨烯多晶薄膜或微米級單晶片，多晶薄膜存在缺陷、不均勻和不連續等現象。還原氧化法制備的石墨烯多為溶液中的石墨烯納米條帶和石墨烯顆粒，應用范圍有限。目前，石墨烯的大面積、高質量、高效制備技術仍然是國內外重點探索的領域之一。

激光具有高亮度、高方向性、高相干性和單色性等優異特性，是一種精密可控的高能量密度熱源，文獻報道激光已經被用于石墨烯的制備研究中，例如激光輔助化學氣相沉積（LCVD）制備石墨烯薄膜；激光轟擊碳靶材、在鍍鎳硅基板上沉積石墨烯薄膜；激光還原氧化石墨烯；激光打開碳納米管等。以上方法中激光是輔助能源，并沒有克服其原有方法如化學氣相沉積、氧化石墨烯還原等方法自身存在的問題，目前石墨烯制備中存在的尺寸小、效率低、高質有待提高等問題仍然沒有很好解決。因此發明一種方便快捷的石墨烯大面積、高質量、可圖案化制備方法具有重要的意義和廣闊的應用前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種大面積、可圖案化石墨烯的激光制備方法，本發明利用高功率密度激光束作用固體碳源直接在金屬基體表面快速制備石墨烯，屬于一種固體碳源石墨烯制備方法。

本發明所提供的一種大面積、可圖案化石墨烯的激光制備方法，包括如下步驟：

（1）將固體碳源分散到有機溶劑中得到分散液，將所述分散液旋涂到金屬基材的表面，得到均勻的碳涂層；

（2）在惰性氣體保護下，用高功率密度激光束輻照所述碳涂層，所述固體碳源中的碳原子和所述金屬基材中的金屬原子在所述輻照的作用下形成固溶體；移開所述高功率密度激光束或停止輻照，則所述金屬基材冷卻時形成過飽和的固溶體，所述碳原子從所述過飽和的固溶體中析出在所述基材表面形成石墨烯。

上述的激光制備方法中，步驟（1）中，所述有機溶劑為乙醇或丙酮；

所述金屬基材的材質可為鎳、鈦、鉑、釕、銥或銅鎳合金，也可將上述金屬材質預先涂在其他工程金屬材料或合金的表面。

上述的激光制備方法中，步驟（1）中，在旋涂所述分散液之前，所述方法還包括去除所述金屬基材的表面上的氧化物的步驟，可首先用機械打磨或者化學腐蝕的方法除去所述金屬基材表面的氧化物或其他附著物，再用磨拋機進行磨拋，最后用酒精進行超聲清洗。

上述的激光制備方法中，步驟（1）中，所述固體碳源可為石墨、無定形碳、C60或碳納米管；

所述固體碳源的顆粒粒徑可為1～100000nm，具體可為350～70000nm、350nm、48000nm或70000nm。

上述的激光制備方法中，步驟（1）中，所述碳涂層的厚度可為0.01～0.5mm，具體可為0.05～0.2mm、0.05mm、0.1mm或0.2mm。

上述的激光制備方法中，步驟（2）中，所述高功率密度激光束可為CO₂激光束、Nd:YAG激光束、半導體激光束（diode?laser）、薄片激光束（thin?disk?laser）或光纖激光束（fiber?laser），上述光束以高斯分布或矩形分布等。