CN103101907B - 石墨烯、石墨烯制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明适用于新材料技术领域，提供了一种石墨烯制备方法及应用。该石墨烯制备方法包括将反应室抽真空；向反应室通入惰性的气体；制备等离子体及制备石墨烯等步骤。本发明石墨烯制备方法，通过等离子体使制备石墨烯的反应温度大大降低；通过制备石墨烯步骤中改变惰性的气体的通入速度，使得所制备的石墨烯比表面积大大提升。

Description

石墨烯、石墨烯制备方法及应用

技术领域

本发明属于新材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯、石墨烯制备方法及应用。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，为单层或多层的极薄的碳材料。由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点。目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂、化学氧化还原法、超声剥离法等。然而这些方法制备出的石墨烯的形状基本上都是不规则的，且层数无法控制。通过化学气相沉积方法所制备石墨烯方法存在催化剂不均匀，所制备的石墨烯比表面积小，制备温度高的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种石墨烯制备方法，解决现有技术中石墨烯制备方法制备温度高、所制备的石墨烯比表面积小的技术问题；及所制备的石墨烯及应用。

本发明是这样实现的，

一种石墨烯制备方法，包括如下步骤：

将起催化作用的衬底放入反应室中，抽真空；

将衬底的温度调整至400℃～500℃，通入惰性的气体，保持1分钟～60分钟，使反应室中保持无氧气氛；

通过射频辉光放电，激发反应室内的气体产生等离子体；

向反应室内通入10sccm～200sccm的有机气体，同时使该惰性的气体的通入速度按10sccm/分钟～50sccm/分钟变化，反应1～300分钟，得到石墨烯。

以及，

一种石墨烯，该石墨烯采用如下步骤制得：

将衬底放入反应室中，抽真空；

将衬底的温度调整至400℃～500℃，通入惰性的气体，保持1分钟～60分钟，使反应室中保持无氧气氛；

通过射频辉光放电，激发反应室内的气体产生等离子体；

向反应室内通入10sccm～200sccm的有机气体，同时使该惰性的气体的通入速度按10sccm/分钟～50sccm/分钟变化，反应1～300分钟，得到石墨烯。

本发明进一步提供上述石墨烯在效应晶体管、电极材料、液晶显示材料或传感器中的应用。

本发明石墨烯制备方法，通过等离子体使制备石墨烯的反应温度大大降低；通过制备石墨烯步骤中改变惰性的气体的通入速度，使得所制备的石墨烯比表面积大大提升。本发明石墨烯，具有较大的比表皱褶和空洞，具有较大的表面积。

附图说明

图1是本发明实施例石墨烯制备方法流程图；

图2是本发明实施例所制备的石墨烯SEM图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1显示本发明实施例石墨烯制备方法流程图，包括如下步骤：

步骤S01，将反应室抽真空：

将起催化作用的衬底放入反应室中，抽真空；

步骤S02，向反应室通入惰性的气体：

将衬底温度调整至400℃～500℃，通入惰性的气体，保持1分钟～60分钟，使反应室中保持无氧气氛；

步骤S03，制备等离子体：

通过射频辉光放电，激发反应室内的气体，产生等离子体；

步骤S04，制备石墨烯

通入10sccm～200sccm的有机气体，使所述惰性的气体的通入速度按10sccm/分钟～50sccm/分钟变化，反应1～300分钟，得到石墨烯。

本发明实施例石墨烯制备方法所使用的设备为化学气相沉积装置，该化学气相沉积装置内设置有射频匹配器，具体没有限制。该衬底没有限制，例如，铜箔、铁箔或镍箔等。

具体地，步骤S01中，将衬底放入化学气相沉积装置的反应室中，依次通过机械泵、罗茨泵及分子泵抽真空，逐级将反应室的真空度降低至10^-3Pa以下，维持该真空度1～30分钟。该衬底既是石墨烯生长的支撑材料，还是石墨烯制备的催化剂，无需额外制备催化剂，简化生长工艺，且反应完成后石墨烯表面不会带上金属颗粒，无需进行后续提纯。通过抽真空，使反应室处于无氧及气体稀薄的状态，一来利于石墨烯的生长，二来利于等离子体的产生。

具体地，步骤S02中，关闭分子泵并加热，将衬底温度调整至400℃～500℃，温度达到后，向反应室中气流量为10sccm～200sccm的惰性的气体；该惰性的气体没有限制，例如，氮气、氦气、氩气、氢气等，保持1分钟～60分钟，，使反应室中保持无氧气氛。

步骤S03中，开启化学气相沉积装置内射频匹配器的电源，将射频匹配器的板压从0V逐渐调节至1.1KV，此时，反应室内产生辉光放电，通过射频辉光放电，激发反应室内的气体，产生等离子体。通过产生等离子体，使得后续制备石墨烯的温度大大降低，降低了能耗。同时，在等离子体的环境中，生长出来的石墨烯表面会增加一些孔洞，也有利于增加石墨烯的比表面积。

步骤S04中，维持射频匹配器的电压，向反应室中通入有机气体，该有机气体没有限制，例如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、气化乙醇、气化甲醇或丙烯等；该有机气体的气流量为10sccm～200sccm。通入有机气体的同时，改变惰性的气体的通入速度，使惰性的气体的通入速度按10sccm/分钟～50sccm/分钟变化，该变化包括递增和递减，例如，如果惰性的气体第一分钟通入速度为10sccm/分钟，使其通入速度按10sccm/分钟递增，那么，第二分钟的通入速度则为20sccm/分钟，第三分钟的通入速度为30sccm/分钟；又如，如果惰性的气体第一分钟通入速度为30sccm/分钟，如果按20sccm/分钟递增，那么，第二分钟通入速度为50sccm/分钟，第三分钟的通入速度为70sccm/分钟。本步骤反应时间为1～300分钟。

通过改变惰性的气体的通入速度，使有机气体在单位时间内进行反应的量发生变化，从而改变有机气体裂解形成的甲基的浓度，也不断改变衬底表面的反应气压，使沉积在衬底的石墨烯产生皱褶和微孔，实现石墨烯比表面积的显著增加。

有机气体反应结束后，停止通入惰性的气体和有机气体，停止加热，关闭射频匹配器电源，将体系温度降低至室温，将衬底取出；将含有石墨烯的衬底放入浓度为0.01mol/L～1mol/L的稀酸溶液(如盐酸、硫酸、硝酸等或其组合)中浸泡0.1～24小时，去除杂质，然后用去离子水洗净，烘干。

本发明实施例还提供一种石墨烯，由上述方法制备得到，具体地，该石墨烯采用如下步骤制得：

将衬底放入反应室中，抽真空；

将衬底的温度调整至400℃～500℃，通入惰性的气体，保持1分钟～60分钟，使反应室中保持无氧气氛；

通过射频辉光放电，激发反应室内的气体产生等离子体；

向反应室内通入10sccm～200sccm的有机气体，同时使所述惰性的气体的通入速度按10sccm/分钟～50sccm/分钟变化，反应1～300分钟，得到石墨烯。

本发明实施例进一步提供上述石墨烯制备方法所制备的石墨烯在效应晶体管、电极材料、液晶显示材料或传感器中的应用。

以下结合具体实施例对上述石墨烯制备方法进行详细阐述。

实施例一

本发明实施例石墨烯制备方法，包括如下步骤：

1.将铜箔放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至2.0×10^-4Pa，并保持30分钟；

2.关闭分子泵，开始加热，将衬底温度调整至400℃，通入氢气50sccm，保持40分钟；

3.打开功率为200W的射频匹配器，将射频匹配器的电压从0V调整至1.1KV，使反应室产生辉光；

4.通入甲烷200sccm，同时使氢气流量随时间以30sccm/min的速度变化，流量控制在200sccm，反应100分钟，生成石墨烯；

5.停止加热，关闭射频匹配器电源，将体系温度降低至室温，将衬底取出；将含有石墨烯的衬底放入浓度为0.01mol/L的硝酸中浸泡24小时，去除杂质，然后用去离子水洗净，烘干。本发明实施例所制备的石墨烯经过氮吸附/BET法检测，石墨烯的比表面积高达1840m²/g。

图2为实施例1制备的石墨烯的SEM图片，从图中可以看出，石墨烯表面呈现出褶皱形貌，厚度约为1～2nm，长度约为0.5～5um，同时说明本发明实施例石墨烯制备方法，在低温的情况下制备出品质优越的石墨烯。

实施例二

本发明实施例石墨烯制备方法，包括如下步骤：

1.将铁箔放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至5.0×10^-4Pa，并保持1分钟；

2.关闭分子泵，开始加热，将衬底温度调整至450℃，通入氮气10sccm，保持60分钟；

3.打开功率为200W的射频匹配器，将射频匹配器的电压从0V调整至1.3KV，使反应室产生辉光；

4.通入气化乙醇10sccm，同时使一氧化碳流量随时间以10sccm/min的速度递增，流量控制在150sccm，反应1分钟，生成石墨烯；

5.停止加热，关闭射频匹配器电源，将体系温度降低至室温，将衬底取出；将含有石墨烯的衬底放入浓度为0.5mol/L的盐酸中浸泡12小时，去除杂质，然后用去离子水洗净，烘干。本发明实施例所制备的石墨烯经过氮吸附/BET法检测，石墨烯的比表面积高达2300m²/g。

实施例三

本发明实施例石墨烯制备方法，包括如下步骤：

1.将镍箔放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至1.0×10^-3Pa，并保持15分钟；

2.关闭分子泵，开始加热，将衬底温度调整至430℃，通入氦气200sccm，保持1分钟；

3.打开功率为200W的射频匹配器，将射频匹配器的电压从0V调整至1.2KV，使反应室产生辉光；

4.通入乙烯100sccm，同时使一氧化碳流量随时间以50sccm/min的速度递增，流量控制在200sccm，反应200分钟，生成石墨烯；

5.停止加热，关闭射频匹配器电源，将体系温度降低至室温，将衬底取出；将含有石墨烯的衬底放入浓度为1mol/L的硫酸中浸泡0.1小时，去除杂质，然后用去离子水洗净，烘干。本发明实施例所制备的石墨烯经过氮吸附/BET法检测，石墨烯的比表面积高达900m²/g。

实施例四

本发明实施例石墨烯制备方法，包括如下步骤：

1.将镍箔放到反应室，并密封反应室，采用机械泵，罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至1.0×10^-5Pa，并保持5分钟；

2.关闭分子泵，开始加热，将衬底温度调整至500℃，通入氢气150sccm，保持10分钟；

3.打开功率为200W的射频匹配器，将射频匹配器的电压从0V调整至1.2KV，使反应室产生辉光；

4.通入乙烷50sccm，同时使一氧化碳流量随时间以15sccm/min的速度递减，流量控制在200sccm，反应150分钟，生成石墨烯；

5.停止加热，关闭射频匹配器电源，将体系温度降低至室温，将衬底取出；将含有石墨烯的衬底放入浓度为1mol/L的硫酸中浸泡0.5小时，去除杂质，然后用去离子水洗净，烘干。本发明实施例所制备的石墨烯经过氮吸附/BET法检测，石墨烯的比表面积高达1320m²/g。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石墨烯制备方法，包括如下步骤：

将起催化作用的衬底放入反应室中，抽真空；

将衬底的温度调整至400℃～500℃，通入惰性的气体，保持1分钟～60分钟，使反应室中保持无氧气氛；

通过射频辉光放电，激发反应室内的气体产生等离子体；

向反应室内通入10sccm～200sccm的有机气体，同时使所述惰性的气体的通入速度按10sccm/分钟～50sccm/分钟的速率进行变化，反应1～300分钟，得到石墨烯。

2.如权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，所述抽真空步骤中，将反应室真空度调整至10^-3Pa以下，并保持1分钟～30分钟。

3.如权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，所述惰性的气体选自氢气、氦气、氮气或氖气。

4.如权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，所述惰性的气体的气流量为10sccm～200sccm。

5.如权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，所述激发反应室内的气体，产生等离子体步骤为：

开启射频匹配设备，将电压从0V调整至1.1KV。

6.如权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，所述有机气体选自甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯中的至少一种。

7.如权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，所述衬底为金属薄片。

8.如权利要求7所述的石墨烯制备方法，其特征在于，所述金属薄片选自铜箔、镍箔、钴箔或者铝箔。