[發明專利]一種微納器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201610016345.5
• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105645345B
• 公開（公告）日: 2017-03-22
• 發明（設計）人: 張躍;章瀟慧;廖慶亮;關珣;張健華;蘇子佳
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B81B1/00
• 分類號: B81B1/00;B81C1/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明涉及微納功能器件領域，尤其涉及石墨烯量子點的自組裝合成以及納米金顆粒的光催化降解合成的一種微納器件及其制備方法。

背景技術

石墨烯（graphene）是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，并且只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構，從而無法單獨穩定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家Andre Geim和Konstantin Novoselov，成功地在實驗從石墨中分離出石墨烯，并證實石墨烯可以單獨存在，最終兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯是目前已知的最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；其導熱系數高達5300W/m?K，高于碳納米管和金剛石；常溫下其電子遷移率超過15000 cm²/V?s，比納米碳管或硅晶體高。但是，石墨烯的電阻率只約10^-8Ω?m，比銅和銀更低，為電阻率最小的材料。因此，石墨烯能夠廣泛運用于納米發電機、力電傳感器、發光二極管、場發射冷陰極、紫外探測器、太陽能電池等多種納米功能器件上，將成為高速晶體管、高靈敏傳感器、激光器、觸摸屏以及生物醫藥器材等多種器件的核心材料。

石墨烯量子點(graphene quantum dot，簡稱GQD)是準零維的納米材料，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應特別顯著，并具有許多獨特的性質，這或將為電子學、光電學和電磁學領域帶來革命性的變化。石墨烯量子點不僅能夠應用于能量儲存、生物傳感、光電設備、電子設備、光學染料、生物標記和復合微粒系統等方面，而且，在生物、醫學、材料、新型半導體器件等領域具有重要潛在應用。另外，石墨烯量子點既能實現單分子傳感器，也能催生超小型晶體管或是利用半導體激光器所進行的芯片上的通訊來制作的化學傳感器、太陽能電池、醫療成像裝置或是納米級電路等等。

單原子層沉積（atomic layer deposition，簡稱ALD），又稱原子層沉積或原子層外延（atomic layer epitaxy），最初是由芬蘭科學家提出并用于多晶熒光材料ZnS:Mn以及非晶Al₂O₃絕緣膜的研制。原子層沉積是通過將氣相前驅體脈沖交替地通入反應器并在沉積基體上化學吸附并反應而形成沉積膜的一種方法，當前驅體達到沉積基體表面，它們會在其表面化學吸附并發生表面反應。在前驅體脈沖之間需要用惰性氣體對原子層沉積反應器進行清洗。

現有技術中制備石墨烯—金納米系統的方法如下：石墨烯可以采用常用的化學方法制備，得到石墨烯的膠體懸浮液；然后，將金納米粒子與石墨烯混合，同時在室溫下攪拌，通過電泳沉積法制備石墨烯—金溶液；最后，在溶液中插入電極，通入穩定電流并持續一定時間，則在電極附近可以沉積一定的石墨烯—金納米系統。該方法工藝復雜，不易控制，且成本高。

發明內容

本發明旨在提出一種快速、可控、均勻、大面積制備微納器件的方法，核心在于石墨烯量子點的自組裝合成以及納米金顆粒的光催化降解合成。所得到的微納器件性能優異、成本低廉，可在有羅丹明污染的水資源中應用。

一方面，本發明的微納器件，包括基片、在所述基片上沉積的ZnO納米層、在所述ZnO納米層上自組裝合成的石墨烯量子點以及在所述ZnO納米層上自組裝合成的石墨烯量子點的基片上進一步光催化降解合成的納米Au膠體。

優選地，所述ZnO納米層的厚度為50-300nm。

另一方面，本發明的微納器件的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：對基片進行超聲清洗并烘干；

步驟二：在所述基片上運用單原子沉積技術沉積ZnO納米顆粒，形成ZnO納米層；

步驟三：將沉積了所述ZnO納米層的基片浸沒到石墨烯量子點溶液中，在所述ZnO納米層上自組裝合成石墨烯量子點，構成了多層混合結構；

步驟四：通過紫外光照還原氯金酸的方法制備得到納米Au膠體；

步驟五：將所述步驟三得到的多層混合結構浸沒到酒精溶液中，并將所述步驟四得到的所述納米Au膠體加入其中，構成混合溶液；以及

步驟六：在紫外燈光源的照射下，用磁力攪拌機攪拌所述步驟五得到的所述混合溶液，利用光催化降解合成將所述納米Au膠體修飾到所述ZnO納米層表面，形成納米Au顆粒，形成所述微納器件。

優選地，所述基片可選用硅片或者導電玻璃。