專(zhuān)利名稱(chēng):一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種碳納米復(fù)合材料的制備方法,特別是關(guān)于一種石墨烯與非晶碳復(fù) 合薄膜的制備方法。
背景技術(shù):
石墨烯是繼碳納米管、富勒烯球后的又一重大發(fā)現(xiàn)。石墨是三維的層狀結(jié)構(gòu),石墨 晶體中層與層之間相隔0. 34nm,是以范德華力結(jié)合起來(lái)的,即層與層之間屬于分子晶體。其 同一平面層上的碳原子間結(jié)合很強(qiáng),化學(xué)性質(zhì)也穩(wěn)定,其中一層就是石墨烯。按照石墨的層 數(shù)可以分為一層或多層石墨烯,而真正能夠獨(dú)立存在的二維石墨烯,于2004年由英國(guó)曼徹 斯特大學(xué)的Novoselov等人,利用膠帶剝離高定向石墨的方法獲得。目前制備石墨烯的方 法主要有石墨剝裂法、外延生長(zhǎng)法、石墨氧化法和化學(xué)氣相沉積法。其中化學(xué)氣相沉積法是 半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的用來(lái)沉積多種材料的技術(shù),理論上它是將兩種或兩種以上的 氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi),然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成一種新的材料,沉 積到晶片表面上。自從石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái),其優(yōu)良的性能和廣闊的應(yīng)用前景,引起了人們的廣泛關(guān)注, 目前,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光伏能源領(lǐng)域及場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域。石墨烯通過(guò)與各種材料的復(fù)合,能進(jìn)一 步將其特殊性能顯著提高,也引起了越來(lái)越多人的興趣。Kim等人通過(guò)靜電結(jié)合的方法,將 石墨烯與碳納米管進(jìn)行復(fù)合,獲得了大面積、均勻透明的導(dǎo)電薄膜;Kane等人將石墨烯與 金屬接觸界面進(jìn)行復(fù)合,形成了全新的金屬接觸界面_碳納米管和石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu),顯 著降低了接觸電阻;李素芳等人通過(guò)將石墨烯與微納米金屬及金屬氧化物顆粒相復(fù)合,制 備了一種全新的吸波材料。與石墨烯復(fù)合相關(guān)的研究大多采用化學(xué)后處理和原位生長(zhǎng)的方 式,但怎樣進(jìn)行大規(guī)??煽氐纳a(chǎn),如何通過(guò)復(fù)合手段進(jìn)一步提高其特種電學(xué)特性仍是研 究的熱點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題,本發(fā)明的目的是提供一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備方法, 采用該方法可以大規(guī)??煽厣a(chǎn)石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜,且制備出的石墨烯與非晶碳復(fù) 合薄膜透光性好、比表面積大、電學(xué)性能獨(dú)特。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制 備方法,其包括以下步驟1)化學(xué)氣相沉積法設(shè)置一無(wú)氧反應(yīng)器;在無(wú)氧反應(yīng)器內(nèi)放入銅 襯底,并進(jìn)行加熱;當(dāng)銅襯底達(dá)到一定溫度后,向無(wú)氧反應(yīng)器內(nèi)通入一定量吡啶;反應(yīng)適當(dāng) 時(shí)間后,對(duì)銅襯底進(jìn)行急冷,得到含有石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物;2)分離 純化法將采用化學(xué)積法得到的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物放入去離子水中,清除上層非晶碳層;將剩 余的中間層和下層產(chǎn)物放入含鐵離子的溶液中,對(duì)下層銅襯底進(jìn)行刻蝕,得到中間層石墨 烯與非晶碳復(fù)合薄膜。所述步驟1)中,化學(xué)氣相沉積法的具體步驟為①設(shè)置一無(wú)氧反應(yīng)裝置,該裝置包括管式爐,管式爐內(nèi)放置石英管,石英管的兩端分別設(shè)置有一進(jìn)氣管和一出氣管,石英管 上還設(shè)置有一進(jìn)料管,進(jìn)料管的進(jìn)料端連接一原料進(jìn)給器;②將厚度為0. 02mm 0. Imm的 銅襯底,先后放入丙酮和去離子水中,分別超聲波清洗不少于五分鐘;③將清洗過(guò)后的銅襯 底放置在石英舟上,送入石英管內(nèi),通過(guò)進(jìn)氣管向石英管內(nèi)通入一定速率的氬氣,保持石英 管內(nèi)的真空度;同時(shí),管式爐將石英管的管內(nèi)溫度加熱至900°C 1000°C,到達(dá)溫度后,保 溫30 60分鐘;④預(yù)熱處理完成后,將氬氣的進(jìn)給速率調(diào)整為400mL/min 800mL/min ; 同時(shí),原料進(jìn)給器通過(guò)進(jìn)料管向石英管內(nèi)進(jìn)給吡啶,吡啶的進(jìn)給速率為8 μ L/min 15μ L/ min,進(jìn)給總量為80 μ L 300 μ L。⑤進(jìn)給完成后,等待約3 5分鐘,當(dāng)石英管內(nèi)氣化的吡 啶反應(yīng)完全后,從石英管內(nèi)拉出石英舟,利用石英管內(nèi)外的溫差,對(duì)銅襯底進(jìn)行急冷處理, 得到含有石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。所述步驟③中,氬氣的進(jìn)給速率為100mL/min 200mL/min。所述步驟2)中,分離純化法的具體步驟為①依次將采用化學(xué)氣相沉積法得到的 三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物,置于多個(gè)盛有去離子水的容器中,用軟毛刷對(duì)上層非晶碳層進(jìn)行清除,直至 上層非晶碳層被完全清除;②將經(jīng)步驟①處理后的含有中間層和下層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)物置于含鐵 離子的溶液中,對(duì)下層銅襯底進(jìn)行刻蝕,以去除下層銅襯底,其中,含鐵離子的溶液濃度為 0. 5mol/L lmol/L ;③將經(jīng)步驟②得到的漂浮在含鐵離子溶液中的石墨烯與非晶碳復(fù)合 薄膜,用鐵網(wǎng)轉(zhuǎn)移至盛有去離子水中的容器中,清洗其上粘附的鐵離子,可以多次放入不同 的盛有去離子水中的容器進(jìn)行清洗,直至得到干凈的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜。所述鐵網(wǎng)的目數(shù)為50 300。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案,其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積法 和分離純化法相結(jié)合的方式制備石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜,該方法操作方便,簡(jiǎn)易可行,能 在宏觀(guān)上制備出薄膜形式的該材料。2、本發(fā)明由于將銅襯底通過(guò)石英舟送入石英管內(nèi),石 英管內(nèi)通入吡唳,并進(jìn)行加熱,該方法可使氮元素得以順利摻雜,石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜 結(jié)合緊密,結(jié)構(gòu)奇特,具有較大比表面積,薄膜容易分離轉(zhuǎn)移,且薄膜可實(shí)現(xiàn)宏觀(guān)尺度生產(chǎn), 具有一定的實(shí)際應(yīng)有前景。3、本發(fā)明在制備過(guò)程中,一直通過(guò)進(jìn)氣管向石英管內(nèi)通入氬氣, 為石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備提供了一個(gè)良好的無(wú)氧環(huán)境。4、本發(fā)明由于采用鐵網(wǎng)將 漂浮在含鐵離子溶液中的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜轉(zhuǎn)移到去離子水中,因此,可將石墨烯 與非晶碳復(fù)合薄膜上的鐵離子溶液清洗掉,獲得干凈的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜。本發(fā)明 構(gòu)思巧妙,簡(jiǎn)單、易操作,可廣泛用于石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的大規(guī)??煽厣a(chǎn)過(guò)程中。
圖1是本發(fā)明化學(xué)氣相沉積裝置示意2是本發(fā)明制備的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物示意3是本發(fā)明制備的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物中的石墨烯示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明所涉及的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜是由石墨烯嵌在非晶碳基體中復(fù)合而成,其中的石墨烯具有類(lèi)花形的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積法和分離純化法相結(jié)合的方式制備石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜?;瘜W(xué)氣相沉積法包括以下步驟1)如圖1所示,設(shè)置一無(wú)氧反應(yīng)裝置,該裝置包括管式爐1,管式爐1內(nèi)放置石英 管2,石英管2的兩端分別設(shè)置有一進(jìn)氣管3和一出氣管4,石英管2上還設(shè)置有一進(jìn)料管 5,進(jìn)料管5的進(jìn)料端連接一原料進(jìn)給器6。
2)將厚度為0. 02mm 0. Imm的銅襯底,先后放入丙酮和去離子水中,分別超聲波 清洗不少于五分鐘。3)將清洗過(guò)后的銅襯底放置在石英舟7上,送入石英管2內(nèi)。通過(guò)進(jìn)氣管3向石 英管2內(nèi)通入氬氣,氬氣進(jìn)給速率為lOOmL/min 200mL/min,通入氬氣可以保持石英管2 內(nèi)的無(wú)氧環(huán)境;同時(shí),管式爐1將石英管2的管內(nèi)溫度加熱至9000C 10000C,到達(dá)溫度后, 保溫30 60分鐘。4)預(yù)熱處理完成后,將氬氣的進(jìn)給速率調(diào)整為400mL/min 800mL/min。同時(shí), 原料進(jìn)給器6通過(guò)進(jìn)料管5向石英管2內(nèi)進(jìn)給吡啶,吡啶為液體,當(dāng)進(jìn)入石英管2內(nèi)后,氣 化為氣體,以提供碳源,吡啶的進(jìn)給速率為8μ L/min 15 μ L/min,進(jìn)給總量為80 μ L 300 μ Lo5)進(jìn)給完成后,停止進(jìn)給吡啶,即斷開(kāi)碳源,等待約3 5分鐘,當(dāng)石英管2內(nèi)氣化 的吡啶反應(yīng)完全后,從石英管2內(nèi)拉出石英舟7,利用石英管2內(nèi)外的溫差,對(duì)銅襯底進(jìn)行急 冷處理,得到含有石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。如圖2、圖3所示,三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物包括上層非晶碳層8,中間層石墨烯與非晶碳復(fù)合 薄膜9和下層銅襯底10,石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜9中的石墨烯11為類(lèi)花形。將采用化學(xué)氣相沉積法得到的含有石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物進(jìn) 行純化分離,其包括以下步驟1)將三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物置于一個(gè)盛有去離子水的容器中,用軟毛刷對(duì)上層非晶碳層8 進(jìn)行清除,然后再放入另一個(gè)盛有去離子水的容器中,用軟毛刷對(duì)上層非晶碳層8繼續(xù)進(jìn) 行清除,為了將上層非晶碳層8完全清除,可以多次重復(fù)放入不同的盛有去離子水的容器 中進(jìn)行多次清除。2)將經(jīng)步驟1)處理后的含有中間層和下層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)物置于含鐵離子的溶液中, 對(duì)下層銅襯底10進(jìn)行刻蝕,以去除下層銅襯底10,其中,溶液中鐵離子的濃度為0. 5mol/ L lmol/L03)將經(jīng)步驟2)得到的漂浮在溶液中的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜9,用鐵網(wǎng)轉(zhuǎn)移至 盛有去離子水中的容器中,清洗其上粘附的鐵離子,可以多次放入不同的盛有去離子水的 容器中進(jìn)行清洗,直至得到干凈的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜9。其中,鐵網(wǎng)的目數(shù)為50 300 (孔徑為 0. 335mm 0. 050mm)。下面列舉一些具體操作的實(shí)施例?;瘜W(xué)氣相沉積法實(shí)施例1 1)設(shè)置化學(xué)氣相沉積法的無(wú)氧反應(yīng)裝置。2)將厚度為0. 02mm,面積為2cmX 2cm的銅襯底先后放入丙酮和去離子水中,分別
超聲波清洗不少于五分鐘。3)將清洗過(guò)后的銅襯底放置在石英舟7上,將石英舟7送入石英管2內(nèi),通過(guò)進(jìn)氣管3通入氬氣,氬氣的進(jìn)給速率為150mL/min,管式爐1加熱至1000°C,溫度到達(dá)1000°C 后,保溫30分鐘。4)預(yù)熱處理完成后,繼續(xù)通入氬氣,氬氣的進(jìn)給速率調(diào)整為400mL/min,同時(shí),原 料進(jìn)給器6通過(guò)進(jìn)料管5,以10 μ L/min的速率向石英管2內(nèi)進(jìn)給吡啶,進(jìn)給總量為100 μ L。5)進(jìn)給完成后,約3分鐘后,拉出石英舟7,對(duì)銅襯底進(jìn)行急冷處理,冷卻后可得到 包含有石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物?;瘜W(xué)氣相沉積法實(shí)施例2 本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟2)中采用厚度為0. Imm的銅襯底。所得三層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物與實(shí)施例1所得三層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物在微觀(guān)形貌上有所差異,且薄膜與銅襯底結(jié) 合更加緊密,不易分離?;瘜W(xué)氣相沉積法實(shí)施例3 本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟3)中溫度到達(dá)1000°C后保溫60分鐘,所 得三層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物與實(shí)施例1所得三層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物在微觀(guān)形貌上有所差異?;瘜W(xué)氣相沉積法實(shí)施例4 本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于步驟4)中,原料進(jìn)給器6通過(guò)進(jìn)料管5以8 μ L/ min的速率向石英管2內(nèi)進(jìn)給吡唳,進(jìn)給總量為80 μ L,所得三層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物與實(shí)施例1所 得三層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物在微觀(guān)形貌上有所差異。分離純化法實(shí)施例1)將采用化學(xué)氣相沉積法得到的含有石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物 置于一個(gè)盛有去離子水的容器中,用軟毛刷對(duì)上層非晶碳層8進(jìn)行清除,然后再放入另一 個(gè)盛有去離子水的容器中,用軟毛刷對(duì)上層非晶碳層8繼續(xù)進(jìn)行清除,為了將上層非晶碳 層8完全清除,可以多次重復(fù)放入不同的盛有去離子水的容器中進(jìn)行多次清除。2)上層非晶碳層清理完畢之后,將剩余部分置于0. 5mol/L的硝酸鐵溶液中,對(duì)銅 襯底進(jìn)行刻蝕,經(jīng)過(guò)約一小時(shí)的刻蝕,去除銅襯底。3)將經(jīng)步驟2)得到的漂浮在溶液中的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜9,使用目數(shù)為 50 300 (孔徑為0. 335mm 0. 050mm)的鐵網(wǎng),將石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜轉(zhuǎn)移至盛有去 離子水中的容器中,清洗其上粘附的鐵離子,可以多次放入不同的盛有去離子水中的容器 進(jìn)行清洗,直至得到干凈的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜9。上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明,其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所 變化的,凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn),均不應(yīng)排除在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備方法,其包括以下步驟1)化學(xué)氣相沉積法設(shè)置一無(wú)氧反應(yīng)器;在無(wú)氧反應(yīng)器內(nèi)放入銅襯底,并進(jìn)行加熱;當(dāng)銅襯底達(dá)到一定溫度后,向無(wú)氧反應(yīng)器內(nèi)通入一定量吡啶;反應(yīng)適當(dāng)時(shí)間后,對(duì)銅襯底進(jìn)行急冷,得到含有石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物;2)分離純化法將采用化學(xué)積法得到的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物放入去離子水中,清除上層非晶碳層;將剩余的中間層和下層產(chǎn)物放入含鐵離子的溶液中,對(duì)下層銅襯底進(jìn)行刻蝕,得到中間層石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備方法,其特征在于所述 步驟1)中,化學(xué)氣相沉積法的具體步驟為①設(shè)置一無(wú)氧反應(yīng)裝置,該裝置包括管式爐,管式爐內(nèi)放置石英管,石英管的兩端分別 設(shè)置有一進(jìn)氣管和一出氣管,石英管上還設(shè)置有一進(jìn)料管,進(jìn)料管的進(jìn)料端連接一原料進(jìn) 給器;②將厚度為0.02mm 0. 1mm的銅襯底,先后放入丙酮和去離子水中,分別超聲波清洗 不少于五分鐘;③將清洗過(guò)后的銅襯底放置在石英舟上,送入石英管內(nèi),通過(guò)進(jìn)氣管向石英管內(nèi)通 入一定速率的氬氣,保持石英管內(nèi)的真空度;同時(shí),管式爐將石英管的管內(nèi)溫度加熱至 900°C 1000°C,到達(dá)溫度后,保溫30 60分鐘;④預(yù)熱處理完成后,將氬氣的進(jìn)給速率調(diào)整為400mL/min 800mL/min;同時(shí),原料進(jìn) 給器通過(guò)進(jìn)料管向石英管內(nèi)進(jìn)給吡啶,吡啶的進(jìn)給速率為8 y L/min 15 y L/min,進(jìn)給總 M^j 80u L ~ 300 ii L。⑤進(jìn)給完成后,等待約3 5分鐘,當(dāng)石英管內(nèi)氣化的吡啶反應(yīng)完全后,從石英管內(nèi)拉 出石英舟,利用石英管內(nèi)外的溫差,對(duì)銅襯底進(jìn)行急冷處理,得到含有石墨烯與非晶碳復(fù)合 薄膜的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。
3.如權(quán)利要求2所述的一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備方法,其特征在于所述 步驟③中,氬氣的進(jìn)給速率為100mL/min 200mL/min。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備方法,其特征在 于所述步驟2)中,分離純化法的具體步驟為①依次將采用化學(xué)氣相沉積法得到的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物,置于多個(gè)盛有去離子水的容器 中,用軟毛刷對(duì)上層非晶碳層進(jìn)行清除,直至上層非晶碳層被完全清除;②將經(jīng)步驟①處理后的含有中間層和下層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)物置于含鐵離子的溶液中,對(duì)下層 銅襯底進(jìn)行刻蝕,以去除下層銅襯底,其中,含鐵離子的溶液濃度為0. 5mol/L lmol/L ;③將經(jīng)步驟②得到的漂浮在含鐵離子溶液中的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜,用鐵網(wǎng)轉(zhuǎn)移 至盛有去離子水中的容器中,清洗其上粘附的鐵離子,可以多次放入不同的盛有去離子水 中的容器進(jìn)行清洗,直至得到干凈的石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜。
5.如權(quán)利要求4所述的一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備方法,其特征在于所述 鐵網(wǎng)的目數(shù)為50 300。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的制備方法,其包括以下步驟1)化學(xué)沉積法設(shè)置一無(wú)氧反應(yīng)器;在無(wú)氧反應(yīng)器內(nèi)放入銅襯底,并進(jìn)行加熱;當(dāng)銅襯底達(dá)到一定溫度后,向所述無(wú)氧反應(yīng)器內(nèi)通入一定量吡啶;反應(yīng)適當(dāng)時(shí)間后,對(duì)銅襯底進(jìn)行急冷,得到含有石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的三層結(jié)構(gòu);2)分離純化法將得到的三層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物放入去離子水中,清除上層非晶碳層;將剩余的中間層和下層產(chǎn)物放入含鐵離子的溶液中,對(duì)下層銅襯底進(jìn)行刻蝕,得到中間層石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜。本發(fā)明構(gòu)思巧妙,簡(jiǎn)單易操作,可廣泛用于石墨烯與非晶碳復(fù)合薄膜的大規(guī)??煽厣a(chǎn)過(guò)程中。
文檔編號(hào)C23C16/455GK101831633SQ201010155540
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21日
發(fā)明者吳德海, 朱宏偉, 李昕明, 李春艷, 李禎, 李虓, 王昆林, 韋進(jìn)全 申請(qǐng)人:清華大學(xué)