[發(fā)明專利]一種精確控制石墨烯層數(shù)的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410259035.7
• 申請(qǐng)日: 2014-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN104073786A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘敏霖;林喆;張紅軍;葉曉慧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C16/56
• 分類號(hào): C23C16/56;C23C16/26
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯制備與應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種精確控制石墨烯層數(shù)的方法。

背景技術(shù)

石墨烯(graphene)是由碳原子緊密堆積而成的單層蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)碳質(zhì)新材料，其厚度僅為0.335nm。2010年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim和Novoselov因“在二維空間材料石墨烯方面的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)(電子遷移率高達(dá)15000cm²/V·s、電阻率僅10^-6Ω·cm，比銅和銀更低，是電阻率最小的材料)、熱學(xué)性質(zhì)(熱導(dǎo)系數(shù)高達(dá)5000W/mK)、光學(xué)性質(zhì)(單層可見光吸收僅2.3％、優(yōu)異的鎖模特性)、物理特性(微弱的自旋-軌道耦合、狄拉克-費(fèi)米子特性、奇異量子霍爾效應(yīng))和力學(xué)性質(zhì)(楊氏模量高達(dá)1.0TPa)。石墨烯是目前最薄但最堅(jiān)硬的納米材料，其電子能帶、物理和化學(xué)特性易于調(diào)控。上述綜合特性為石墨烯材料在微電子、光電子、自旋電子學(xué)、微納傳感器、能源、機(jī)械等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。已有一些石墨烯器件問世，如太陽能電池、發(fā)光器件、觸控屏幕及光探測(cè)器等。

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(jī)械剝離高定向熱解石墨法(HOPG)、氣相法中的化學(xué)氣相沉積法(CVD)和液相法中的化學(xué)還原氧化石墨烯(RGO)應(yīng)用最為廣泛。這幾種方法各有優(yōu)勢(shì)，也各自存在一定的不足之處。機(jī)械剝離法制備的石墨烯質(zhì)量高，尺寸一般為幾微米至幾十微米、產(chǎn)率極低，適于微量基礎(chǔ)研究；化學(xué)氣相沉積法可制備大面積的石墨烯多晶薄膜或毫米級(jí)單晶片，多晶薄膜存在缺陷、不均勻和不連續(xù)等現(xiàn)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(yīng)用范圍有限。目前，石墨烯的大面積、高質(zhì)量、高效制備技術(shù)仍然是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)探索的領(lǐng)域之一。

已有研究表明，石墨烯的層數(shù)是影響其電學(xué)和光學(xué)性能的主要因素。不同層數(shù)石墨烯的電學(xué)特性、光學(xué)透過率、電導(dǎo)率等性能均有較大的變化。因此，確定層數(shù)石墨烯的制備成為限制石墨烯大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一。現(xiàn)有的制備方法中，機(jī)械剝離法制備的石墨烯很難控制層數(shù)，且其尺寸很小，難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用；氧化還原法制備的石墨烯的電學(xué)特性存在缺陷，很難得到很薄的石墨烯。化學(xué)氣相沉積法雖然可以得到單層或者雙層的石墨烯，但其工藝參數(shù)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性難以保證，且在大面積上的層數(shù)均勻性不佳。因此，對(duì)于用CVD法制備的多層石墨烯進(jìn)行后續(xù)減薄進(jìn)而對(duì)石墨烯層數(shù)進(jìn)行精確調(diào)控的方法成為亟待解決的問題。

現(xiàn)有的石墨烯減薄有如下方法：采用連續(xù)激光對(duì)石墨烯進(jìn)行輻照，在激光輻照區(qū)域，上層石墨烯由于熱作用被氧化，而與基底接觸的底層石墨烯由于基底的熱沉作用其溫度小于氧化溫度，進(jìn)而被保留下來，此方法僅能得到單層石墨烯，無法調(diào)控層數(shù)；先將石墨烯表層氧化或者通過其他方式破壞，然后通過等離子體的輻照去除表層石墨烯。該方法每個(gè)循環(huán)可去除一層石墨烯，如果要得到較少層數(shù)的石墨烯，則需要多次重復(fù)此過程，同時(shí)其方法對(duì)于原始層數(shù)不均勻的樣品，減薄后其層數(shù)仍然不均勻。因此，迄今為止，石墨烯層數(shù)的精確調(diào)控問題還沒有解決。因此，開發(fā)一種基于超快激光的通過減薄對(duì)石墨烯層數(shù)進(jìn)行精確控制的方法具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

激光具有高亮度、高方向性、高相干性和單色性等優(yōu)異特性，是一種精密可控的高能量密度熱源。文獻(xiàn)報(bào)道激光已經(jīng)被用于石墨烯的制備研究中，例如激光輔助化學(xué)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；激光切割石墨烯等。超快激光同時(shí)具有高單脈沖能量和極短作用時(shí)間的特點(diǎn)，一般用于石墨烯的切割、去除和打孔，還沒見用于石墨烯減薄進(jìn)行層數(shù)的精確調(diào)控。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用超快激光減薄石墨烯對(duì)石墨烯層數(shù)進(jìn)行精確控制的方法。其利用超快激光(皮秒激光或飛秒激光)對(duì)大面積多層石墨烯(用CVD法或其他方法制備)進(jìn)行輻照，在激光作用區(qū)域，通過優(yōu)化控制超快激光參數(shù)(如平均功率、能流密度、重復(fù)頻率、掃描速度和重復(fù)掃描次數(shù))，通過超快激光光子與石墨烯的相互作用，將一定層數(shù)的石墨烯從多層石墨烯樣品上去除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯層數(shù)的精確控制。

本發(fā)明所提供的一種對(duì)石墨烯層數(shù)進(jìn)行精確控制的方法，具體包括下述步驟：

(1)將多層石墨烯轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上，并對(duì)所述多層石墨烯的層數(shù)進(jìn)行測(cè)定；

(2)對(duì)轉(zhuǎn)移到所述目標(biāo)基底上的多層石墨烯進(jìn)行超快激光掃描輻照，通過超快激光光子與石墨烯的相互作用，將預(yù)期層數(shù)的石墨烯進(jìn)行剝離，以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯層數(shù)的精確控制。