一種石墨烯的制備方法及制備裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種石墨烯的制備方法及制備裝置，該制備方法包括：將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并使碳源材料接觸片狀金屬基體；利用激光束對(duì)片狀金屬基體的一側(cè)表面進(jìn)行輻照，從而在片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面生成石墨烯；其中，片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面必須接觸碳源材料。該制備裝置包括：反應(yīng)室、基體支撐架、激光發(fā)射器、抽真空設(shè)備以及氣體輸入管；基體支撐架固定在反應(yīng)室內(nèi)，用于懸空設(shè)置片狀金屬基體；激光發(fā)射器所發(fā)射的激光束垂直輻照在片狀金屬基體的表面；抽真空設(shè)備和氣體輸入管均與反應(yīng)室的內(nèi)部連通。本發(fā)明實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)微納尺寸結(jié)構(gòu)的加工，不僅適用于各種波長(zhǎng)的脈沖激光和連續(xù)激光，而且其碳源材料可以使用氣態(tài)碳源，也可以使用固態(tài)碳源。
【專利說(shuō)明】—種石墨烯的制備方法及制備裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯制備領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯的制備方法及制備裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有獨(dú)特的載流子輸運(yùn)特性、極高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的透光性和導(dǎo)電性，因此石墨烯有望在納米電子器件、超級(jí)電容、儲(chǔ)氫材料、場(chǎng)發(fā)射材料等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前，在制備石墨烯的諸多方法中，化學(xué)氣相沉積法是可控大面積制備石墨烯的有效方法，其制備過(guò)程中需要引入金屬催化劑來(lái)降低碳前驅(qū)物的分解勢(shì)壘并促進(jìn)石墨烯的形成。激光輔助化學(xué)氣相沉積法是化學(xué)氣相沉積法的一種改進(jìn)方法，主要是利用激光對(duì)作為金屬催化劑的片狀金屬基體(簡(jiǎn)稱基體)進(jìn)行輻照，而基體在吸收激光的能量后會(huì)在基體表面形成一定的溫度場(chǎng)，反應(yīng)氣體流經(jīng)基體表面會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在基體表面就可以形成石墨烯薄膜。激光輔助化學(xué)氣相沉積法的具體加工工藝可以參考中國(guó)專利CN201310175638.4的描述。激光輔助化學(xué)氣相沉積法具有高能量密度、高單色性和高方向性等優(yōu)點(diǎn)，并且高精度的激光熱源大幅度地加快了化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)速率；但是，現(xiàn)有的激光輔助化學(xué)氣相沉積法至少存在以下缺點(diǎn):
[0004]第一，現(xiàn)有的激光輔助化學(xué)氣相沉積法只能以紅外連續(xù)激光作為熱源，這種高能量密度的激光能夠使片狀金屬基體表面迅速升溫，當(dāng)達(dá)到適合溫度時(shí)，碳源前軀體會(huì)經(jīng)催化裂解后形成碳原子，隨著激光光斑的移動(dòng)，基體表面脫離激光輻照的地方會(huì)逐漸降溫，從而碳原子會(huì)在基體表面沉積或經(jīng)溶解析出形成石墨烯；與連續(xù)激光不同的是，脈沖激光的能量輸出是周期性的，當(dāng)以脈沖激光輻照基底表面時(shí)，不僅發(fā)生了熱作用，而且對(duì)基體表面的金屬原子和已生成的碳原子有燒蝕或者濺射的去除作用，因此現(xiàn)有的激光輔助化學(xué)氣相沉積法很難以脈沖激光實(shí)現(xiàn)碳原子的結(jié)晶生長(zhǎng)并形成石墨烯薄膜。
[0005]第二，現(xiàn)有的激光輔助化學(xué)氣相沉積法只能以紅外連續(xù)激光作為熱源，紅外激光與基體的熱作用時(shí)間長(zhǎng)，不宜用于精細(xì)結(jié)構(gòu)加工，特別不宜用于微納尺寸結(jié)構(gòu)的加工。
[0006]第三，現(xiàn)有的激光輔助化學(xué)氣相沉積法只能使用氣態(tài)碳源作為碳源材料，無(wú)法使用固態(tài)碳源作為碳源材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足之處，本發(fā)明提供了一種石墨烯的制備方法及制備裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)微納尺寸結(jié)構(gòu)的加工，不僅適用于各種波長(zhǎng)的脈沖激光和連續(xù)激光，而且其碳源材料可以使用氣態(tài)碳源，也可以使用固態(tài)碳源。
[0008]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種石墨烯的制備方法，包括:將片狀金屬基體置于反應(yīng)室內(nèi)的步驟，使碳源材料接觸片狀金屬基體的步驟，以及利用激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照從而在片狀金屬基體表面生成石墨烯的步驟；將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并使碳源材料接觸片狀金屬基體；利用激光束對(duì)片狀金屬基體的一側(cè)表面進(jìn)行輻照，從而在片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面生成石墨烯；其中，片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面必須接觸碳源材料。
[0010]優(yōu)選地，所述的將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并使碳源材料接觸片狀金屬基體包括:當(dāng)碳源材料為固態(tài)碳源時(shí)，先將固態(tài)碳源涂覆于片狀金屬基體表面，再將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)；
[0011]和/或，當(dāng)碳源材料為氣態(tài)碳源時(shí)，先將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，再將氣態(tài)碳源通入反應(yīng)室內(nèi)，使氣態(tài)碳源與片狀金屬基體表面接觸。
[0012]優(yōu)選地，所述的片狀金屬基體的厚度小于20 μ m。
[0013]優(yōu)選地，片狀金屬基體采用N1、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Nb、Mg、Mn、Rh、Ta、T1、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、W或Cu中的至少一種制成。
[0014]優(yōu)選地，所述的激光束為連續(xù)激光束或脈沖激光束。
[0015]優(yōu)選地，所述的激光束聚焦后，再對(duì)片狀金屬基體的一側(cè)表面進(jìn)行輻照。
[0016]優(yōu)選地，還包括:在激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照的過(guò)程中，按照預(yù)定圖案移動(dòng)激光束和/或片狀金屬基體，從而控制片狀金屬基體的表面生長(zhǎng)圖案化石墨烯。
[0017]優(yōu)選地，當(dāng)采用脈沖激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照時(shí)，通過(guò)移動(dòng)激光束和/或片狀金屬基體，控制片狀金屬基體的表面生成點(diǎn)狀石墨烯。
[0018]一種石墨烯的制備裝置，用于按照上述技術(shù)方案中所述的制備方法制備石墨烯，包括:反應(yīng)室、基體支撐架、激光發(fā)射器、抽真空設(shè)備以及氣體輸入管；
[0019]基體支撐架固定在反應(yīng)室的內(nèi)部，并且片狀金屬基體通過(guò)基體支撐架懸空設(shè)置于反應(yīng)室的內(nèi)部；激光發(fā)射器設(shè)于反應(yīng)室的外部，并且激光發(fā)射器所發(fā)射的激光束垂直輻照在片狀金屬基體的表面；
[0020]抽真空設(shè)備與反應(yīng)室的內(nèi)部連通，用于對(duì)反應(yīng)室的內(nèi)部抽真空；氣體輸入管與反應(yīng)室的內(nèi)部連通，用于向反應(yīng)室的內(nèi)部輸入稀有氣體、還原氣體或碳源氣體中的至少一種。
[0021]優(yōu)選地，反應(yīng)室與激光發(fā)射器之間設(shè)有聚焦鏡和/或擴(kuò)束鏡；激光發(fā)射器發(fā)射的激光束通過(guò)聚焦鏡和/或擴(kuò)束鏡的處理后，輻照到設(shè)于反應(yīng)室內(nèi)的片狀金屬基體上。
[0022]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例所提供的石墨烯的制備方法及制備裝置在激光束輻照在片狀金屬基體的一側(cè)表面時(shí)，激光束作為高能量密度熱源會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)加熱片狀金屬基體的被激光束輻照區(qū)域，而片狀金屬基體會(huì)快速進(jìn)行熱傳導(dǎo)，與被激光束輻照區(qū)域相對(duì)應(yīng)的片狀金屬基體的另一側(cè)表面也會(huì)被加熱，由于片狀金屬基體是懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并且片狀金屬基體的下表面與碳源材料接觸，因此片狀金屬基體下表面的被加熱位置會(huì)對(duì)碳源材料進(jìn)行催化，碳源材料經(jīng)催化裂解后會(huì)析出結(jié)晶，從而在片狀金屬基體下表面的被加熱位置會(huì)生成石墨烯薄膜。這種背部輻照激光束的加熱方式，使受激光束輻照表面不為石墨烯生長(zhǎng)面，而是將與激光束輻照面相反的一側(cè)表面作為石墨烯生長(zhǎng)面，這有效地避免了激光光子對(duì)生長(zhǎng)的碳原子的破壞作用，因此本發(fā)明實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)微納尺寸結(jié)構(gòu)的加工，不僅適用于各種波長(zhǎng)的脈沖激光和連續(xù)激光，而且其碳源材料可以使用氣態(tài)碳源，也可以使用固態(tài)碳源。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖一。
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖二。
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖三。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的石墨烯的制備方法及制備裝置進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029](一)石墨烯的制備方法
[0030]一種石墨烯的制備方法，其具體包括如下步驟:將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并使碳源材料接觸片狀金屬基體；利用激光束對(duì)片狀金屬基體的一側(cè)表面進(jìn)行輻照，從而在片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面生成石墨烯。
[0031]其中，激光束輻照面是指片狀金屬基體的被激光束輻照的一側(cè)面，而與激光束輻照面相反的一側(cè)表面就是石墨烯生長(zhǎng)面；所述的“相反”是指激光束輻照面與石墨烯生長(zhǎng)面是正反面的相對(duì)位置關(guān)系，例如:如圖1所示，當(dāng)片狀金屬基體水平放置時(shí)，激光束對(duì)片狀金屬基體的上表面進(jìn)行輻照，那么片狀金屬基體的上表面就是激光束輻照面，而片狀金屬基體的下表面就是與激光束輻照面相反的一側(cè)表面，也就是石墨烯生長(zhǎng)面，石墨烯會(huì)在片狀金屬基體的下表面生長(zhǎng)；如圖2所示，當(dāng)片狀金屬基體豎直放置時(shí)，激光束對(duì)片狀金屬基體的左側(cè)表面進(jìn)行輻照，那么片狀金屬基體的左側(cè)表面就是激光束輻照面，而片狀金屬基體的右側(cè)表面是石墨烯生長(zhǎng)面。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解地，片狀金屬基體可以有很多的放置方式，而激光束也可以輻照片狀金屬基體的其他面，但激光束輻照面與石墨烯生長(zhǎng)面的相對(duì)位置關(guān)系不變，故不再贅述，這均屬于本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。
[0032]具體地，該石墨烯的制備方法可以包括如下的具體實(shí)施方案:
[0033](I)由于碳源材料只有與作為金屬催化劑的片狀金屬基體接觸，才可能在激光束的輻照加熱下生成石墨烯，因此片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面必須接觸碳源材料，即片狀金屬基體的石墨烯生長(zhǎng)面必須接觸碳源材料，至少石墨烯生長(zhǎng)面上需要生長(zhǎng)石墨烯的位置必須接觸碳源材料。由于只讓需要生長(zhǎng)石墨烯的位置接觸碳源材料十分不方便操作，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，最好使片狀金屬基體的石墨烯生長(zhǎng)面完全與碳源材料接觸。
[0034](2)該石墨烯的制備方法中，碳源材料可以采用氣態(tài)碳源或固態(tài)碳源中的至少一種。氣態(tài)碳源可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的甲烷等烷烴、乙烯等烯烴、乙炔等炔烴或苯等芳香烴。固態(tài)碳源可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的聚合物、石墨、無(wú)定形碳等含碳元素的材料。因此，所述的將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并使碳源材料接觸片狀金屬基體可以包括以下至少一項(xiàng):
[0035]①當(dāng)碳源材料為固態(tài)碳源時(shí)，可以先將固態(tài)碳源涂覆于片狀金屬基體表面，再將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)。
[0036]②當(dāng)碳源材料為氣態(tài)碳源時(shí)，可以先將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，再將氣態(tài)碳源通入反應(yīng)室內(nèi)，使氣態(tài)碳源與片狀金屬基體表面接觸。
[0037](3)為了保證片狀金屬基體能夠快速地將上表面的熱能傳遞到下表面，并且保障石墨烯的生長(zhǎng)速度，片狀金屬基體的厚度最好小于20 μ m。
[0038](4)為了保證片狀金屬基體具有良好的導(dǎo)熱性能，并且方便石墨烯的生長(zhǎng)，片狀金屬基體最好采用 N1、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Nb、Mg、Mn、Rh、Ta、T1、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、W或Cu中的至少一種制成片狀金屬或合金。
[0039](5)本發(fā)明實(shí)施例所使用激光束可以采用連續(xù)激光束或脈沖激光束；在實(shí)際應(yīng)用中，該激光束可以是C02激光束、Nd = YAG激光束、半導(dǎo)體激光束、薄片激光束、光纖激光/準(zhǔn)分子激光束等所有波長(zhǎng)的激光束，但這些激光束最好是聚焦和/或擴(kuò)束后，再對(duì)片狀金屬基體的一側(cè)表面進(jìn)行輻照，這可以使激光束能夠快速地加熱片狀金屬基體。
[0040](6)石墨烯的生成過(guò)程最好在稀有氣體的保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行，因此在將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室后，最好先將反應(yīng)室內(nèi)抽真空，然后向反應(yīng)室內(nèi)充入稀有氣體，再用激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行福照；在實(shí)際生廣中，反應(yīng)室內(nèi)抽真空后，最好向反應(yīng)室內(nèi)通入聞純稀有氣體(例如:氬氣)洗氣兩次，然后保持常壓的條件下繼續(xù)通入流量為200sCCm的稀有氣體lOmin，再用激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照。
[0041]進(jìn)一步地，該石墨烯的制備方法的工作原理如下:以圖1所示為例，當(dāng)激光束輻照在片狀金屬基體的上表面時(shí)，激光束作為高能量密度熱源會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)加熱片狀金屬基體的上表面，由于片狀金屬基體具有良好的熱傳導(dǎo)性能，因此與被激光束輻照區(qū)域相對(duì)應(yīng)的片狀金屬基體的下表面也會(huì)被加熱；又由于片狀金屬基體是懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并且片狀金屬基體的下表面與碳源材料接觸，因此片狀金屬基體下表面的被加熱位置會(huì)對(duì)碳源材料進(jìn)行催化，碳源材料經(jīng)催化裂解后會(huì)析出結(jié)晶，從而在片狀金屬基體下表面的被加熱位置會(huì)生成石墨烯薄膜?，F(xiàn)有技術(shù)中的片狀金屬基體是直接放置在反應(yīng)室內(nèi)的底部，并且激光束輻照面就是石墨烯生長(zhǎng)面，因此若現(xiàn)有技術(shù)中采用脈沖激光，則脈沖激光會(huì)對(duì)生長(zhǎng)起到碳原子的破壞作用；而在本發(fā)明實(shí)施例中所采用的背部輻照激光束的加熱方式，使受激光束輻照表面不為石墨烯生長(zhǎng)面，而是將與激光束輻照面相反的一側(cè)表面作為石墨烯生長(zhǎng)面，這有效地避免了激光光子對(duì)生長(zhǎng)的碳原子的破壞作用，因此本發(fā)明實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)微納尺寸結(jié)構(gòu)的加工，不僅適用于各種波長(zhǎng)的脈沖激光和連續(xù)激光，而且其碳源材料可以使用氣態(tài)碳源，也可以使用固態(tài)碳源。
[0042]除了上述技術(shù)方案外，本發(fā)明實(shí)施例所提供的石墨烯制備方法還可以包括:在激光束對(duì)該片狀金屬基體進(jìn)行輻照的過(guò)程中，按照預(yù)定圖案(預(yù)定圖案是指預(yù)先設(shè)定的要生成的石墨烯的圖案)移動(dòng)激光束和/或片狀金屬基體，從而控制片狀金屬基體的表面生長(zhǎng)圖案化石墨烯。
[0043]其中，當(dāng)采用脈沖激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照時(shí)，通過(guò)移動(dòng)激光束和/或片狀金屬基體，可以控制片狀金屬基體的表面生成點(diǎn)狀石墨烯。在現(xiàn)有技術(shù)中，由于無(wú)法使用脈沖激光束，因此只能采用連續(xù)激光束進(jìn)行多次照射多形成多個(gè)點(diǎn)狀石墨烯；而本發(fā)明實(shí)施例中通過(guò)脈沖激光束，只需快速移動(dòng)激光束和/或片狀金屬基體，就可以在片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面上快速生成多個(gè)點(diǎn)狀石墨烯；顯然，本發(fā)明實(shí)施例能夠大大提升多個(gè)點(diǎn)狀石墨烯的制備速度。
[0044]具體而言，現(xiàn)有技術(shù)中主要存在兩種制備圖案化石墨烯的方法:第一種是基于模板工藝制備圖案化石墨烯，這種方法是先在片狀金屬基體表面的不需要生產(chǎn)石墨烯的位置涂覆保護(hù)膜，再采用激光束對(duì)該片狀金屬基體進(jìn)行輻照，從而得到圖案化石墨烯；第二種是基于激光直寫(xiě)技術(shù)制備圖案化石墨烯，現(xiàn)有這種方法需要預(yù)先準(zhǔn)備氧化石墨烯薄膜，在經(jīng)過(guò)激光束輻照后，需要進(jìn)行還原處理，才能得到圖案化石墨烯。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例無(wú)需對(duì)片狀金屬基體做現(xiàn)有技術(shù)中的掩膜處理和氧化石墨烯薄膜的預(yù)先處理，直接利用激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照，并按照預(yù)定圖案移動(dòng)激光束和/或片狀金屬基體，就可以在片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面生長(zhǎng)符合預(yù)定圖案的圖案化石墨烯；由此可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例能夠簡(jiǎn)化圖案化石墨烯的加工程序，降低石墨烯加工復(fù)雜度，提高圖案化石墨烯的加工效率，也能夠降低圖案化石墨烯的制造成本。
[0045]在實(shí)際應(yīng)用中，可以在現(xiàn)有的AutoCAD等繪圖軟件中繪制出預(yù)定圖案，然后將其導(dǎo)入到現(xiàn)有技術(shù)中具有激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的激光發(fā)射器中，激光發(fā)射器的控制器在激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的指令下可以控制激光發(fā)射器移動(dòng)激光束，或者可以移動(dòng)放置反應(yīng)室的激光發(fā)射器工作臺(tái)，由于片狀金屬基體放置于反應(yīng)室內(nèi)，因此移動(dòng)放置反應(yīng)室的激光發(fā)射器工作臺(tái)，相當(dāng)于移動(dòng)片狀金屬基體；隨著激光束和/或片狀金屬基體的移動(dòng)，激光發(fā)射器的控制器可以精確控制片狀金屬基體表面所生成石墨烯的形狀及分辨率，從而就可以實(shí)現(xiàn)圖案化石墨烯的控型生長(zhǎng)，進(jìn)而得到符合預(yù)定圖案的圖案化石墨烯。
[0046]綜上可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)微納尺寸結(jié)構(gòu)的加工，不僅適用于各種波長(zhǎng)的脈沖激光和連續(xù)激光，而且其碳源材料可以使用氣態(tài)碳源，也可以使用固態(tài)碳源。此外，本發(fā)明實(shí)施例的石墨烯制備方法能夠簡(jiǎn)化圖案化石墨烯的加工程序，降低石墨烯加工復(fù)雜度，提高圖案化石墨烯的加工效率，也能夠降低圖案化石墨烯的制造成本。
[0047](二)石墨烯的制備裝置
[0048]如圖1至圖3所示，一種石墨烯的制備裝置，用于按照上述技術(shù)方案所述的制備方法制備石墨烯，其具體結(jié)構(gòu)包括:反應(yīng)室1、基體支撐架2、激光發(fā)射器3、抽真空設(shè)備5以及氣體輸入管6 ;基體支撐架2固定在反應(yīng)室I的內(nèi)部，并且片狀金屬基體101通過(guò)基體支撐架2懸空設(shè)置于反應(yīng)室I的內(nèi)部；激光發(fā)射器3設(shè)于反應(yīng)室I的外部，并且激光發(fā)射器3所發(fā)射的激光束201垂直輻照在片狀金屬基體101的表面；抽真空設(shè)備5與反應(yīng)室I的內(nèi)部連通，用于對(duì)反應(yīng)室I的內(nèi)部抽真空；氣體輸入管6與反應(yīng)室I的內(nèi)部連通，用于向反應(yīng)室I的內(nèi)部輸入稀有氣體、還原氣體或碳源氣體中的至少一種。
[0049]其中，反應(yīng)室I與激光發(fā)射器3之間可以設(shè)有聚焦鏡4和/或擴(kuò)束鏡；激光發(fā)射器3發(fā)射的激光束201通過(guò)聚焦鏡4的聚焦(或擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束)后，輻照到設(shè)于反應(yīng)室I內(nèi)的片狀金屬基體101上。
[0050]具體地，如圖3所示，激光發(fā)射器3可以配套有激光發(fā)射器工作臺(tái)7，反應(yīng)室I可以放置在激光發(fā)射器工作臺(tái)7上；在制備圖案化石墨烯的過(guò)程中，激光發(fā)射器3的控制器可以控制激光發(fā)射器3的激光束201移動(dòng)，或激光發(fā)射器工作臺(tái)7移動(dòng)，從而可以精確控制片狀金屬基體101表面所生成石墨烯的形狀及分辨率，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)圖案化石墨烯的控型生長(zhǎng)，得到符合預(yù)定圖案的圖案化石墨烯。抽真空設(shè)備5可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的真空泵等抽真空設(shè)備。氣體輸入管6上最好設(shè)有氣體流量計(jì)，以方便對(duì)輸入反應(yīng)室I內(nèi)的氣體進(jìn)行流量統(tǒng)計(jì)。
[0051]為了更加清晰地展現(xiàn)出本發(fā)明所提供的技術(shù)方案及所產(chǎn)生的技術(shù)效果，下面以幾個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所提供的石墨烯的制備方法及制備裝置進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0052]實(shí)施例一
[0053]如圖1和圖3所示，一種石墨烯的制備方法，其具體包括如下步驟:
[0054]步驟A、將厚度為20 μ m的鎳箔經(jīng)稀鹽酸超聲清洗1min后去表面氧化物，然后依次經(jīng)丙酮、酒精、去離子水各5min超聲清洗后吹干，再對(duì)鎳箔的表面涂覆厚度小于200nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
[0055]步驟B、將經(jīng)過(guò)步驟A處理后的鎳箔固定在反應(yīng)室I內(nèi)的基體支撐架2上，鎳箔的下表面涂覆有聚甲基丙烯酸甲酯，并且處于懸空狀態(tài)。
[0056]步驟C、用真空泵將反應(yīng)室I內(nèi)抽成真空，再向反應(yīng)室I內(nèi)通入流量為200sccm的高純Ar氣，直至反應(yīng)室I內(nèi)達(dá)到常壓后關(guān)閉Ar氣。
[0057]步驟D、重復(fù)執(zhí)行步驟C兩次，以對(duì)反應(yīng)室I內(nèi)進(jìn)行洗氣；然后向反應(yīng)室I內(nèi)通入流量為200sccm的Ar氣1min。
[0058]步驟E、利用AutoCAD繪制出需要生成的石墨烯圖案，再將其導(dǎo)入到現(xiàn)有技術(shù)中具有激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的激光發(fā)射器中。
[0059]步驟F、將步驟D處理后的反應(yīng)室I放置于激光發(fā)射器工作臺(tái)7上，激光發(fā)射器的控制器在激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的指令下控制激光束201的發(fā)射，以及移動(dòng)激光束201或激光發(fā)射器工作臺(tái)7，從而精確控制鎳箔下表面所生成石墨烯的形狀及分辨率。
[0060]在實(shí)際應(yīng)用中，如果采用本實(shí)施例一所述的石墨烯制備方法，而且激光發(fā)射器采用現(xiàn)有技術(shù)中的釔鋁石榴石激光器，其技術(shù)參數(shù)要求為:激光波長(zhǎng)為355nm、重復(fù)頻率為10kHz、單脈沖能量約為200mJ、其脈寬約為10ns、光斑直徑為20 μ m，那么在未移動(dòng)激光束201和激光發(fā)射器工作臺(tái)7的情況下，將得到直徑為20 μ m的圓形圖案石墨烯薄膜，經(jīng)拉曼及透射電鏡分析可知:石墨烯厚度為2層。如果對(duì)激光的擴(kuò)束和聚焦，那么可以獲得直徑為10nm?100ym范圍內(nèi)的圓形石墨烯。進(jìn)一步地，可以根據(jù)實(shí)際需要繪制需要生成的石墨烯圖案，從而根據(jù)本實(shí)施例一所述的石墨烯制備方可以獲得任意排布組合的圖案化石墨烯。
[0061]實(shí)施例二
[0062]如圖1和圖3所示，一種石墨烯的制備方法，其具體包括如下步驟:
[0063]步驟Α、將厚度為10 μ m的銅箔經(jīng)稀鹽酸超聲清洗1min后去表面氧化物，然后依次經(jīng)丙酮、酒精、去離子水各5min超聲清洗后吹干。
[0064]步驟B、將經(jīng)過(guò)步驟A處理后的銅箔固定在反應(yīng)室I內(nèi)的基體支撐架2上，銅箔的下表面處于懸空狀態(tài)。
[0065]步驟C、用真空泵將反應(yīng)室I內(nèi)抽成真空，再向反應(yīng)室I內(nèi)通入流量為200sccm的高純Ar氣，直至反應(yīng)室I內(nèi)達(dá)到常壓后關(guān)閉Ar氣。
[0066]步驟D、重復(fù)執(zhí)行步驟C兩次，以對(duì)反應(yīng)室I內(nèi)進(jìn)行洗氣；然后向反應(yīng)室I內(nèi)通入流量為200sccm的Ar氣1min。
[0067]步驟E、將步驟D處理后的反應(yīng)室I放置于激光發(fā)射器工作臺(tái)7上，并向反應(yīng)室I內(nèi)通入氬氣(保護(hù)氣體)、氫氣(還原氣體)和甲烷(氣態(tài)碳源)的混合氣體；其中，氬氣流量為10sccm,氫氣流量為80sccm,甲燒流量為20sccm。
[0068]步驟F、利用AutoCAD繪制出需要生成的石墨烯圖案，再將其導(dǎo)入到現(xiàn)有技術(shù)中具有激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的激光發(fā)射器中；激光發(fā)射器的控制器在激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的指令下控制激光束201的發(fā)射，以及移動(dòng)激光束201或激光發(fā)射器工作臺(tái)7，從而精確控制銅箔下表面所生成石墨烯的形狀及分辨率。
[0069]在實(shí)際應(yīng)用中，如果采用本實(shí)施例二所述的石墨烯制備方法，而且激光發(fā)射器采用現(xiàn)有技術(shù)中的光纖激光器，其技術(shù)參數(shù)要求為:激光波長(zhǎng)為1064nm、激光功率為450w，同時(shí)調(diào)節(jié)激光器高度，使銅箔表面與激光焦點(diǎn)的距離為15mm，那么在激光束201不移動(dòng)而激光發(fā)射器工作臺(tái)7移動(dòng)速度為1.3m/s的情況下，將得到寬度為5mm的條形圖案石墨烯薄膜，經(jīng)拉曼及透射電鏡分析可知:石墨烯厚度為4?5層。如果對(duì)激光的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并采取激光束聚焦或擴(kuò)束手段，那么可以獲得寬度為2 μ m?5cm范圍內(nèi)的條形石墨烯。進(jìn)一步地，可以根據(jù)實(shí)際需要繪制需要生成的石墨烯圖案，從而根據(jù)本實(shí)施例二所述的石墨烯制備方可以獲得任意排布組合的圖案化石墨烯。
[0070]綜上可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)微納尺寸結(jié)構(gòu)的加工，不僅適用于各種波長(zhǎng)的脈沖激光和連續(xù)激光，而且其碳源材料可以使用氣態(tài)碳源，也可以使用固態(tài)碳源。
[0071]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯的制備方法，包括:將片狀金屬基體置于反應(yīng)室內(nèi)的步驟，使碳源材料接觸片狀金屬基體的步驟，以及利用激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照從而在片狀金屬基體表面生成石墨烯的步驟；其特征在于，將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并使碳源材料接觸片狀金屬基體；利用激光束對(duì)片狀金屬基體的一側(cè)表面進(jìn)行輻照，從而在片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面生成石墨烯； 其中，片狀金屬基體的與激光束輻照面相反的一側(cè)表面必須接觸碳源材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，并使碳源材料接觸片狀金屬基體包括: 當(dāng)碳源材料為固態(tài)碳源時(shí)，先將固態(tài)碳源涂覆于片狀金屬基體表面，再將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)； 和/或， 當(dāng)碳源材料為氣態(tài)碳源時(shí)，先將片狀金屬基體懸空放置于反應(yīng)室內(nèi)，再將氣態(tài)碳源通入反應(yīng)室內(nèi)，使氣態(tài)碳源與片狀金屬基體表面接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述的片狀金屬基體的厚度小于20 μ m0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的片狀金屬基體采用N1、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Nb、Mg、Mn、Rh、Ta、T1、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、W 或 Cu 中的至少一種制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的制備方法，其特征在于，所述的激光束為連續(xù)激光束或脈沖激光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述的激光束聚焦后，再對(duì)片狀金屬基體的一側(cè)表面進(jìn)行輻照。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，還包括:在激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照的過(guò)程中，按照預(yù)定圖案移動(dòng)激光束和/或片狀金屬基體，從而控制片狀金屬基體的表面生長(zhǎng)圖案化石墨烯。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，當(dāng)采用脈沖激光束對(duì)片狀金屬基體進(jìn)行輻照時(shí)，通過(guò)移動(dòng)激光束和/或片狀金屬基體，控制片狀金屬基體的表面生成點(diǎn)狀石墨稀。
9.一種石墨烯的制備裝置，用于按照上述權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的制備方法制備石墨烯，其特征在于，包括:反應(yīng)室、基體支撐架、激光發(fā)射器、抽真空設(shè)備以及氣體輸入管； 基體支撐架固定在反應(yīng)室的內(nèi)部，并且片狀金屬基體通過(guò)基體支撐架懸空設(shè)置于反應(yīng)室的內(nèi)部； 激光發(fā)射器設(shè)于反應(yīng)室的外部，并且激光發(fā)射器所發(fā)射的激光束垂直輻照在片狀金屬基體的表面； 抽真空設(shè)備與反應(yīng)室的內(nèi)部連通，用于對(duì)反應(yīng)室的內(nèi)部抽真空； 氣體輸入管與反應(yīng)室的內(nèi)部連通，用于向反應(yīng)室的內(nèi)部輸入稀有氣體、還原氣體或碳源氣體中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備裝置，其特征在于，反應(yīng)室與激光發(fā)射器之間設(shè)有聚焦鏡和/或擴(kuò)束鏡；激光發(fā)射器發(fā)射的激光束通過(guò)聚焦鏡和/或擴(kuò)束鏡的處理后，輻照到設(shè)于 反應(yīng)室內(nèi)的片狀金屬基體上。
【文檔編號(hào)】C23C16/26GK104264130SQ201410499232
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】姜娟, 高俊彥, 劉榮明, 王倩, 滕陽(yáng)民, 李炳山 申請(qǐng)人:北礦磁材科技股份有限公司