[發明專利]一種利用圖形化襯底壓印制備石墨烯納米網的方法

在審

• 申請號: 202110377003.7
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113104809A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 賈冉;許士才;劉漢平;劉輝蘭;喬梅;劉國鋒
• 申請（專利權）人: 德州學院
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B82Y40/00;G03F7/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 楊樹云

本發明涉及一種利用圖形化襯底壓印制備石墨烯納米網的方法，其主要步驟包括：襯底/Gr制備、圖形化襯底的清洗、襯底/Gr與圖形化襯底的組裝、壓印、脫模和GNM表征。對比現有的GNM制備方法，本發明利用圖形化襯底中的凸起圖案在壓印過程中將Gr穿透，可實現快速、大面積、均勻、低成本、高孔隙率、低缺陷GNM的制備。根據圖形化襯底的選取，可實現多種圖案及尺寸的GNM制備。另外，本發明所采用的方法普適性高，可以遷移至除Gr以外其他二維材料如MoS₂、BN等納米網的制備。

技術領域

本發明涉及一種利用圖形化襯底壓印制備石墨烯納米網(GNM)的方法，屬于半導體材料制備及加工領域。

背景技術

自石墨烯(Gr)問世以來，圖案化Gr得到了廣泛的關注和研究并應用于Gr光子學、等離激元和超級電容器等各種領域。很多Gr多孔材料也因此誕生，比如Gr納米網(GNM)、褶皺Gr(CG)和Gr泡沫(GF)等。其中GNM是指在一層或多層Gr中形成高密度的納米級或亞納米級孔陣列。在GNM中主要有兩個結構參數：頸寬和周期性，頸寬和周期性分別定義為納米網中兩個相鄰孔之間最小的邊到邊距離和中心到中心的距離。這種納米孔隙結構及其密度分布對于Gr材料的電子特性，表面相互作用和化學反應活性都有十分重要的影響。而且該結構還可以改變Gr的零帶隙結構，賦予其半導體性能。總之，GNM具有直接帶隙、高比表面積的開放多孔結構，再加上與Gr固有性能的結合，使其在很多領域具有很大的應用潛力，比如儲能、傳感、分子篩和電子器件等。

GNM的應用領域廣泛，包括：

1、儲能器件——超級電容器與鋰離子電池

由于平面Gr與Gr片之間的范德華力作用，使得Gr在超級電容器以及鋰離子電池等儲能器件應用中容易發生堆疊和聚集，導致Gr與電解液的有效接觸減少。而電容器的電容正比于電極材料的比表面積，另外電池電解液中Gr的聚集會造成離子擴散以及傳輸路徑的減少。所以Gr的聚集和堆疊最終可造成電容器電容降低或者電池充放電時間的延長。而GNM為上述問題提供了良好的解決途徑，這是因為GNM既擴大了比表面積，又為快速傳質提供了可能。

2、電子器件——FET

理論上，平面Gr具有零帶隙結構，這限制了其在很多電子器件中的應用，比如，在制備FET時，沒有足夠帶隙的Gr通道無法使器件在室溫下關閉。目前，Gr的能帶結構可以通過摻雜、加氫、制備Gr納米帶(GNR)或GNM等方式來改變。在GNM中，Gr的帶隙可通過孔徑大小以及孔隙率進行調節，比如頸寬的增加可造成帶隙的減小。另外，研究發現，基于GNM的晶體管可以支持的驅動電流，比具有近似開關比的單個GNR器件的驅動電流大近100倍。在一階近似下，GNM可以看作是多個GNR組成的導電網絡。因此，GNM的帶隙與平均帶寬成反比，另外，FET的開關比與帶隙寬度的指數成正比。因此，基于GNM的FET在對數尺度上的開關比與平均帶寬成反比。但與平面Gr相比，GNM的電導率要低1～2個數量級。

3、化學與生物傳感

與平面Gr相比，GNM中的周期或準周期納米孔具有更多的活性中心和邊緣，因此可以獲得更高的化學反應和電催化活性。GNM成為開發小型、緊湊、廉價、功耗小的高性能傳感器的理想材料。特別的，基于GNM的FET還因具有結構簡單，易于批量生產，接觸面積大以及信號放大的特點而在傳感領域具有良好的發展前景。例如，Paul等人分別使用CH₄和乙醇生長的GNM制備了兩種FET，并將它們用于高靈敏度的氣體檢測。

4、Gr膜技術

具有原子層厚度和出色機械強度的2D Gr材料被認為是膜技術中優良的選擇性層，它具有促進清潔，化學性質穩定以及選擇性強的特點。利用GNM中形成的納米孔隙結構可實現不同大小分子的分離。但是，基于膜技術的分離應用需要大規模生產具有高選擇性和可靠滲透性的GNM膜。GNM膜的分離應用主要包括氣體滲透和分離，水處理，DNA易位和蛋白質分離，這些應用均與GNM膜的形態有關，比如孔徑尺寸及其密度分布等。