[發明專利]一種圖案化石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201510428419.1
• 申請日: 2015-07-20
• 公開（公告）號: CN105217605B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 馬元
• 申請（專利權）人: 合肥國軒高科動力能源有限公司
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B32/194
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及材料制備技術領域，尤其涉及一種圖案化石墨烯的制備方法。

背景技術

在2004年之前，石墨烯只存在于理論模型中，并被認為是不可能穩定存在的。直到2004年，由A.K.Geim和K.S.Novoselov首次在實驗室中合成石墨烯，才打破了二維材料不可能在自然界中穩定存在的預言，他們也因此獲得了2010年的諾貝爾物理獎。石墨烯是由碳原子通過sp2鍵組成的蜂窩狀晶格為最小結構單元的單原子層材料，是世界上已知的最薄的材料，是構成其他碳材料的一個基本構建單元。它有很多優異的電子性質(Science 2004，306，666-669)，如具有最快的電子遷移率(15000cm2/v/cm或106Ω/cm)，不受溫度控制的超高電荷載流子遷移率200000cm2/v/s和接近光速的高效的費米速度106m/s。此外單層石墨烯有極好的機械性能，其楊氏模量為1.0TPa，剛性為130GPa，光學透過性為～97.7％(吸收2.3％白光)，超快的熱導率(5000W/m/K，是銅的100倍)。它還有高達2620m2/g的理論比表面積，極好的電子傳導率及柔韌性。由此，我們可以預測石墨烯在很多應用領域可以單獨使用或者通過雜化或復合來取代碳納米管，石墨，金屬以及半導體。

因為石墨烯的這些性質，廣大科研工作者給予了極高的專注。相關石墨烯的科技文獻也是爆炸式增長。經過近10年的發展，石墨烯膜的制備手段已經非常豐富，比如微機械剝離法、SiC外延法、化學剝離法、氣相沉積法、化學剝離法、電弧放電法、電化學剝離法、有機合成法等。這些方法工藝都比較復雜，對設備的依賴度很高，而且多為實驗室制備手段，很難有效的放大生產，且石墨烯質量也有待提高。

現階段產業化的主要是氣相沉積法、化學剝離法以及物理剝離法。氣相沉積法設備投資高，工藝復雜，產量低，產品成本高，但是可以制作大面積石墨烯，且石墨烯質量較高。現階段主要用于半導體上，屏幕，觸摸屏等產品，還處于研發階段，待其成本下降后完全可以取代透明導電玻璃(氧化銦錫ITO)，在數碼時代具有極大應用前景(Nat Nanotechnol，2010，5，574-578)。化學剝離法成本較低，產量大，但是產品為石墨烯微粉，且經過化學反應石墨烯的結構會被破壞，產品能否有效的發揮出石墨烯膜的性能是面臨的一大難題，同時還存在污染問題，不過該方法可以利用化學鍵對石墨烯進行各種功能化，在液體中有較好的分散性(專利號CN 102066245 B)。物理剝離法是對插層的石墨進行超聲剝離、機械剝離或者熱剝離，其特點類似于化學剝離法，具有成本低，產量大，產品為粉體的特點，雖然物理法比化學剝離法能更好的保持石墨烯結構，但是其片層一般較厚(10層以上)，很難獲得單層或者少層的結構(專利號CN 102515155 A)。現有粉狀石墨烯主要在儲能領域有巨大的應用潛力，如電池，電容器等方面，還有塑料，橡膠等用于增韌，高導等方面，但因為存在上述的問題，還沒有大規模的應用，都是在停留在實驗室階段。

綜上所述，可以看出石墨烯的制備技術還是相當不成熟的，現有的工業技術也存在不同的問題，嚴重的影響了石墨烯的應用。特別是在大尺寸的石墨烯膜層制備方面，隨著制備石墨烯尺寸的增大，氣相沉積所需要的設備也要改進放大，設備投資非常大。

隨著研究的深入與技術的不斷推進，以石墨烯為基礎的器件的功能必將得到進一步提升，并將成為未來納米器件中的重要成員。然而目前存在的石墨烯場效應晶體管制備工藝研究，由于要集成低溫加工工藝，高K電介質制備工藝等大多采用半導體硅做為襯底，然而在任意的襯底如有機或者無機襯底，剛性及柔性襯底上大規模集成具有高性能納米器件仍然是具有挑戰的。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種圖案化石墨烯的制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

一種圖案化石墨烯的制備方法，以帶有圖案化溝槽結構的容器為反應容器，將溶液I和溶液II分別注入該容器中，其液面低于溝槽上沿，根據溝槽的圖案溶液I在溶液II表面形成納米級厚度的圖案化薄膜層，然后該體系經過物理化學處理使溶液I反應，從而得到圖案化石墨烯；其中溶液I為石墨烯反應原料或者為溶解或分散有石墨烯反應原料的溶液或懸浮液，溶液II為溶液I的展開液。

優選地，所述的石墨烯反應原料為石墨烯粉末、氧化石墨烯粉末、功能化石墨烯粉末、功能化氧化石墨烯粉末、摻雜石墨烯粉末、摻雜氧化石墨烯粉末、油酸、環己烷、單環或多環的苯及其衍生物中的一種；