CN103253660B - 一种超高氮掺杂的石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高氮掺杂的石墨烯的制备方法。通过对吸附氨气的氧化石墨烯进行光照的方法来获得超高掺氮的石墨烯。未经过还原的氧化石墨烯在NH3（流量为10torr～30torr）氛围下，通过使用200nm～760nm的波长范围的光照，可以对氧化石墨烯进行掺杂得到掺氮的石墨烯。氮碳原子比最大能达到20%。光照时间在5～60分钟范围内，相应的氮碳原子比在6%～20%之间。本发明所述的高氮掺杂石墨烯可以通过光照时间和光照强度来调控掺氮的含量，以达到调控石墨烯带隙的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高氮掺杂（氮碳原子比最高达到20%）制备方法。
背景技术
石墨烯作为目前世界上密度最小、比表面积最大、导电性能最好的材料，在太阳能透明电极、锂电池、场效应管等方面都有巨大的应用前景。
石墨烯的制备方法主要有微机械剥离、化学气相沉积、液相剥离以及化学方法等。石墨烯本身是一个零带隙的半导体材料，这极大地限制了其在微电子材料方面的应用。通过掺杂其他原子改变石墨烯的带隙是非常常见的方法之一，常见的掺杂方式掺氮、掺氟、掺氢和掺氯等。掺氢目前只能用等离子方法才能掺杂，成本高，而且工艺复杂。掺氟和掺氯除了用等离子体方法外，其他方法都涉及到具有高毒性的氟气或氯气。掺氮，所用的原材料是诸如氨气和三聚氰胺这样无毒的化学品，而且价格也便宜许多。得到的掺氮石墨烯，经过测试是N型半导体材料，在微电子技术上具有良好的应用前景。
但是，到目前为止，获得氮掺杂石墨烯的方法都是采用热处理的方法，氮掺杂的含量往往不高，对于调控石墨烯的带隙效果不太显著。而且氮掺杂会带来氧化石墨烯的分解，造成原材料的损耗。制备工艺耗时长并且造成了极大的能源浪费。基于此，本发明找到了一种快速节能的掺氮石墨烯的制备方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，提供一种快速节能高氮掺杂石墨烯的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明通过对吸附氨气的氧化石墨烯进行光照的方法来获得高掺氮的石墨烯。测试表明，氮含量能极大的提高，氮碳原子比能达到1：5，并且只需要五分钟左右的时间，掺杂过程就可以完成。
在NH3（流量为10torr～30torr）氛围、200nm～760nm的波长范围的光照条件下，可以对未经过还原的氧化石墨烯进行掺杂得到掺氮的石墨烯。氮碳原子比最大能达到20%以上。
超高掺氮的石墨烯轻质铁磁性材料的制备方法步骤为：
（1）将层数为1～20层的氧化石墨烯加入浓度为0.0001mol/l～0.01mol/l的稀硝酸溶液进行清洗，然后5000rpm～30000rpm离心获得沉淀。
（2）重复步骤（1）2～3次后再加入去离子水，10000rpm-30000rpm离心得到沉淀；重复加入去离子水再离心的过程10遍，得到的氧化石墨烯含氧量较高，其中氧碳原子比为1:4-1:2范围；将得到的氧化石墨烯在50-200℃的温度大气环境氛围下烘干后，放入透明的两端留孔的透明容器中。
（3）将透明容器两端接上橡皮管确保封闭状态，不渗透空气；将纯度99%的氨气接入透明容器的一侧，另一侧通入水中用来吸收尾气；用30torr～100torr将透明容器中的空气清洗10～20分钟之后，将通入氨气的流量控制在10～30torr。
（4）在透明容器上方放上光源，光源的频谱范围在200nm至760nm之间，光源可以为单色光、白光或混合光；光源对样品要能实现全覆盖；经过5～60分钟的光照时间，即获得高掺氮的石墨烯。
在大气氛围中，取下透明容器一侧的管道，取出容器内所得到的材料，这样可以得到超高氮掺杂的石墨烯，氮碳原子比最高可达到1：5。
氮掺杂的含量随着光照时间以及光照强度发生变化，照射时间超过一小时后氮掺杂的含量基本不再发生变化。
本发明所述的高氮掺杂石墨烯可以通过光照时间和光照强度来调控掺氮的含量，以达到调控石墨烯带隙的效果。
具体实施方式
下面以实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1：
（1）将层数为1～20层的氧化石墨烯100mg加入300ml的0.0001mol/l的稀硝酸溶液进行清洗，然后10000rpm的离心速度离心获得沉淀。
(2)重复步骤（1）2次后再加入去离子水，10000rpm高速离心得到沉淀，重复加入去离子水再离心的过程10遍，确保不含有其他杂质；得到的氧化石墨烯含氧量较高，其中氧碳原子比为2：5；将得到的氧化石墨烯沉淀50℃的温度自然环境氛围下烘干后，放入对200～760nm波长的光吸收率低的石英容器中。
（3）将石英容器两端接上橡皮管确保封闭状态，不渗透空气。将高纯度的氨气（99%）接入石英容器的一侧，另一侧通入水中用来吸收尾气；用氨气以100torr的流量将石英容器中的空气清洗10分钟后，将通入氨气的流量控制在20torr。
（4）在石英容器上方放上超高压汞灯，中心波长在540nm；光源对样品实现全覆盖；经过1小时的光照时间，即获得氮碳原子比为1：5的高掺氮的石墨烯。
（4）在大气氛围中，取下透明容器一侧的管道，取出容器内所得到的材料，，这样可以得到超高氮掺杂的石墨烯80mg；一部分氧脱掉后引起质量下降。
将高氮掺杂的石墨烯溶于有机溶剂后，旋涂成薄膜，作为太阳能电池的透明导电电极使用。
实施例2：
（1）将层数为1～20层的氧化石墨烯100mg加入300ml的0.001mol/l的稀硝酸溶液进行清洗，然后10000rpm的离心速度离心获得沉淀。
（2）重复步骤（1）2次后再加入去离子水，10000rpm高速离心得到沉淀；重复加入去离子水再离心的过程10遍，确保不含有其他杂质；得到的氧化石墨烯含氧量要较高，其中氧碳原子比为2：5；将得到的氧化石墨烯沉淀50℃的温度自然环境氛围下烘干后，放入对200～760nm波长的光吸收率低的石英容器中。
（2）将石英容器两端接上橡皮管确保封闭状态，不渗透空气；将高纯度的氨气（99%）接入透明容器的一侧，另一侧通入水中用来吸收尾气；用氨气以70torr的流量将石英容器中的空气清洗15分钟后，将通入氨气的流量控制在20torr。
（3）在石英容器上方放上超高压紫外汞灯，中心波长在380nm；光源对样品实现全覆盖；经过5分钟的光照时间，即获得氮碳原子比为1：10的高掺氮的石墨烯。
（4）在大气氛围中，取下透明容器一侧的管道，取出容器内所得到的材料，这样可以得到超高氮掺杂的石墨烯88mg，一部分氧脱掉后引起质量下降。
将制得的高氮掺杂石墨烯，制成FET结构，可以获得N型场效应管。
Claims (1)
1.一种掺氮的石墨烯的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）将层数在1～20层的氧化石墨烯加入浓度为0.0001mol/L-0.01mol/L的稀硝酸溶液进行清洗，然后5000rpm-30000rpm离心获得沉淀；
（2）重复步骤（1）2-3次后再加入去离子水，5000rpm-30000rpm离心得到沉淀；重复加入去离子水再离心的过程10遍，得到的氧化石墨烯氧碳原子比为1:4-1:2之间；将得到的氧化石墨烯在50-200℃的温度大气环境氛围下烘干后，放入两端留孔的透明容器中；
（3）将透明容器两端接上橡皮管确保封闭状态，不渗透空气；将纯度99%的氨气接入透明容器的一侧，另一侧通入水中用来吸收尾气；用30torr-100torr将透明容器中的空气清洗10-20分钟后，将通入氨气的流量控制在5-30torr；
（4）在透明容器上方放上光源，光源的频谱范围在200nm至760nm之间，光源为单色光或混合光；光源对样品要能实现全覆盖；经过5-60分钟的光照时间，即获得高掺氮的石墨烯。
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