[發(fā)明專利]一種利用聚合物螺旋生長(zhǎng)制備扭轉(zhuǎn)石墨烯的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010082269.4
• 申請(qǐng)日: 2020-02-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111204743B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-02-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周祚萬(wàn);郭一帆;李金陽(yáng);韋煒;蔣虎南;李穎;彭富喜;孟凡彬;徐曉玲;姜曼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/184
• 分類號(hào): C01B32/184
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責(zé)任公司 51200
• 代理人: 王沙沙

本發(fā)明公開(kāi)了一種利用聚合物螺旋生長(zhǎng)制備扭轉(zhuǎn)石墨烯的方法，包括以下步驟：步驟1：將氧化劑、石墨和濃硫酸混合均勻后靜置反應(yīng)預(yù)設(shè)時(shí)間；其中氧化劑、石墨和濃硫酸的質(zhì)量體積比為：0.05g～5g：0.01g～1g：10mL；步驟2：將步驟1得到的混合物離心，得到固體成分分離后加入到單體酸溶液中引發(fā)聚合反應(yīng)；步驟3：聚合反應(yīng)完全后，將反應(yīng)產(chǎn)物洗滌、超聲處理、離心，取上清液冷凍干燥后即可得所需扭轉(zhuǎn)石墨烯；本發(fā)明利用聚合物分子在石墨層間的螺旋生長(zhǎng)傾向帶動(dòng)石墨烯片層的旋轉(zhuǎn)，制得具有扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的石墨烯，通過(guò)控制聚合反應(yīng)的工藝條件即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯扭轉(zhuǎn)角的調(diào)控，制備過(guò)程安全可控且耗時(shí)耗能少。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用聚合物螺旋生長(zhǎng)制備扭轉(zhuǎn)石墨烯的方法。

背景技術(shù)

當(dāng)兩片石墨烯以一定扭轉(zhuǎn)角堆疊時(shí)，石墨烯自身的原胞將被整合并擴(kuò)大，從而在二維平面上形成周期性的超晶格結(jié)構(gòu)。扭轉(zhuǎn)石墨烯的超晶格結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)其電子能帶結(jié)構(gòu)造成顯著影響，進(jìn)而表現(xiàn)出一系列奇特的性質(zhì)。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為某幾個(gè)特定值(例如1.05°)時(shí)，扭轉(zhuǎn)石墨烯的狄拉克點(diǎn)費(fèi)米速度降低為0，費(fèi)米能級(jí)附近的能帶變得低能且平滑。具有這種結(jié)構(gòu)特征的石墨烯被稱為“魔角石墨烯”。由于其電子被局域于超晶格內(nèi)，魔角石墨烯在導(dǎo)帶或價(jià)帶填充至半滿的情況下呈現(xiàn)關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)，體現(xiàn)為典型的Mott絕緣體特性并進(jìn)一步在溫度降至1.7K以下時(shí)表現(xiàn)出與銅氧化物類似的高溫超導(dǎo)行為(doi:10.1038/nature26160)。這種特殊的超導(dǎo)現(xiàn)象與基于弱電子-聲子相互作用實(shí)現(xiàn)的常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理不同，被認(rèn)為是由特殊平帶結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的電子間強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用導(dǎo)致?！敖Ы恰钡呐まD(zhuǎn)石墨烯(扭轉(zhuǎn)角θ＝1.20°)則在導(dǎo)帶填充至3/4時(shí)，由于其電子自旋對(duì)稱和谷對(duì)稱的同時(shí)破缺，使得石墨烯體現(xiàn)出了本征鐵磁性。這種鐵磁性拓?fù)浣^緣結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的量子反?；魻栃?yīng)以及手征邊緣態(tài)特征，表明自身處于Chern絕緣態(tài)(doi:10.1126/science.aaw3780)。扭轉(zhuǎn)石墨烯表現(xiàn)出的諸多在常規(guī)碳納米材料中難以實(shí)現(xiàn)的奇特性質(zhì)，充分證明了石墨烯超晶格的序構(gòu)調(diào)控對(duì)研究其電子結(jié)構(gòu)變化和實(shí)現(xiàn)其特殊功能應(yīng)用的必要性。

例如發(fā)明專利“一種基于扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的光電探測(cè)器及其制備方法”，(專利號(hào)為CN201510078677.1)，則將已制備好的扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯利用光刻技術(shù)做出電極圖案并進(jìn)行蒸鍍金屬得到電極。制得的光電探測(cè)器不但具有高遷移率以及對(duì)特定波長(zhǎng)光具有高效的光電探測(cè)效率，同時(shí)具有極低的暗電流以及無(wú)需偏壓、柵壓提供額外能量的優(yōu)點(diǎn)。

以魔角石墨烯為代表的扭轉(zhuǎn)石墨烯結(jié)構(gòu)因其特殊性質(zhì)而引起了人們的廣泛關(guān)注，然而目前能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯扭轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確控制的方法僅有“撕裂-堆疊法”。該方法利用石墨烯與六方氮化硼(hBN)間的范德華作用力撕裂石墨烯，并在人工扭轉(zhuǎn)到特定角度后將其重新堆疊得到扭轉(zhuǎn)石墨烯(doi:10.1038/nature26154)。在堆疊的過(guò)程中，由于層間范德華作用的形成，扭轉(zhuǎn)角會(huì)向略微減小的方向變化。因此在制備扭轉(zhuǎn)石墨烯時(shí)，實(shí)際設(shè)置的扭轉(zhuǎn)角需要比預(yù)期值大0.2～0.3°。顯然，這種方法不僅對(duì)設(shè)備和工藝精度有著極高的要求，也對(duì)操作人員的熟練度有著很大的挑戰(zhàn)。更重要的是，hBN對(duì)石墨烯的扭轉(zhuǎn)和封裝會(huì)導(dǎo)致兩者間產(chǎn)生另一種超晶格序構(gòu)，這為扭轉(zhuǎn)石墨烯的性能研究和應(yīng)用帶來(lái)了難以避免的干擾。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供了一種基于原位插層聚合技術(shù)，利用聚合物分子鏈螺旋生長(zhǎng)傾向帶動(dòng)石墨烯片層扭轉(zhuǎn)，并且通過(guò)控制聚合過(guò)程的工藝條件即可實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角控制的制備方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種利用聚合物螺旋生長(zhǎng)制備扭轉(zhuǎn)石墨烯的方法，包括以下步驟：

步驟1：將氧化劑、石墨和濃硫酸混合均勻后靜置反應(yīng)預(yù)設(shè)時(shí)間；其中氧化劑、石墨和濃硫酸的質(zhì)量體積比為：0.05g～5g：0.01g～1g：10mL；

步驟2：將步驟1得到的混合物離心，得到固體成分分離后加入到單體酸溶液中引發(fā)聚合反應(yīng)；

步驟3：聚合反應(yīng)完全后，將反應(yīng)產(chǎn)物洗滌、超聲處理、離心，取上清液冷凍干燥后即可得所需扭轉(zhuǎn)石墨烯。