CN103663416A - 一种制备石墨烯和单层六角氮化硼复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的方法，属于薄膜材料制备领域。其主要原理为：加热溶解了碳(2)的金属薄膜(1)至800至1100K。然后利用化学气相沉积(CVD)的方式在金属表面生成单层六角氮化硼。所用金属薄膜(1)为CVD所用气体(3)分解的催化剂，当金属表面被单层六角氮化硼薄膜(4)覆盖后，将失去化学活性。从而控制生长的六角氮化硼(4)的厚度为单原子层。当六角氮化硼覆盖整个金属薄膜表面后，冷却金属薄膜。溶解的碳将析出在六角氮化硼和金属之间形成单层或者多层的石墨烯(6)。石墨烯(6)同单层六角氮化硼(4)构成复合材料。通过此方法可以廉价快速地制备紧密结合的石墨烯和氮化硼的复合材料。

Description

一种制备石墨烯和单层六角氮化硼复合材料的方法
技术领域
本发明涉及了一种制备石墨烯和单层六角氮化硼复合材料的方法，属于薄膜材料制备领域。 
背景技术
自2004年由Novoselov和Gein第一次制备出单层石墨烯以来，诞生了许许多多种制备石墨烯的方法。化学气相沉积法(Nature 457(7230)：706.)被认为是目前最有希望制备大面积、高品质的石墨烯薄膜的方法。最新的研究表明，石墨烯与六方氮化硼结合，迁移率将提高1～2个数量级。但目前六方氮化硼主要通过工艺复杂的高压水合法制得，这严重制约了石墨烯/氮化硼薄膜的制备。石墨烯和氮化硼一般以分开的方式制备。他们之间的结合也是简单的叠加方式。这个过程中会引入大量缺陷。并且石墨烯和氮化硼的晶格取向也接近于随机。 
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种简单、成本低廉、的制备高质量石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法。本发明提供了如下的技术方案： 
1.一种制备石墨烯和单层六角氮化硼复合材料的方法。包括：金属薄膜(1)、金属中溶解的碳元素(2)、含氮原子硼原子的气体(3)、单层氮化硼薄膜(4)、气体分解后的剩余分子或原子(5)、石墨烯薄膜(6)。其特征为：加热的溶解了碳元素(2)的金属薄膜(1)至800至1200K。然后利用化学气相沉积的方式在金属表面生成单层六角氮化硼(4)。所用金属薄膜(1)为含有氮原子和硼原子的气体(3)分解的催化剂，当金属表面被单层六角氮化硼薄膜(4)覆盖后，将失去化学活性。在被覆盖的金属表面将不能继续生长六角氮化硼。从而控制生长的六角氮化硼(4)的厚度为单原子层。当六角氮化硼覆盖整个金属薄膜(1)表面后，冷却金属薄膜(1)。其中溶解的碳元素(2)将析出在六角氮化硼(4)和金属(1)之间形成单层或者多层的石墨烯(6)。石墨烯(6)同单层六角氮化硼(4)构成复合材料。通过此方法可以廉价快速地制备紧密结合的石墨烯和氮化硼的复合材料。 
2.说明1中所述的金属薄膜(1)的材料可以为：铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、铑(Rh)和钨(W)中的一种或任意两种以上的组合。 
3.说明1中所述的金属薄膜(1)的厚度可以为1纳米至1毫米。具体厚度根据所要生长的石墨烯和金属决定。 
4.说明1中所述的金属薄膜(1)的可以为任意形式。例如：自支撑薄膜、其他衬底上生长的金属薄膜、等。 
5.说明1中所述的金属中溶解的碳元素(2)可以为金属薄膜中本身具有的，也可以是通过其他手段添加进入的。此添加过程在氮化硼生长之前完成。 
6.说明1中所述的含有氮原子和硼原子的气体(3)可以为任意含有氮原子和硼原子的一种气体或者几种气体的组合。只要它(们)可以在金属表面经过催化作用形成六角氮化硼。例如环硼氮烷。 
7.说明1中所述的金属薄膜的冷却过程的速度可以为2K每秒至0.0001K每秒。具体降温速度由形成石墨烯的参数所决定。 
8.说明1中所述的石墨烯(6)的厚度可以为0.05层原子至20层原子。小于1个原子单层的覆盖度的石墨烯材料为根据要求所制备的不完全覆盖的石墨烯。例如石墨烯岛。 
9.说明1中所述的通入的含有氮原子和硼原子的气体的气压范围为10-9mbar至2bar。 
本发明的优点是：廉价、快速、能实现石墨烯材料和单层六角氮化硼的紧密结合。实现对石墨烯材料本身电学性质的改善。 
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并不构成对本发明的限制。 
在附图中： 
图1至图5是本发明一种实施例的示意图。 
图2至图5是本发明一种实施例的示意图。 
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 
实例一：参照图1-图5。 
图1：为一片不含碳元素的金属薄膜(1)。其材料可以为铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、铑(Rh)和钨(W)中的一种或任意两种以上的组合。 
图2：中将金属薄膜(1)注入碳元素(2)。注入的方式可以为在真空腔或者石英管中通入一定量的碳氢化合物，并加热金属薄膜。碳氢化合物遇到金属表面分解。这样得到溶有碳元素的金属薄膜。 
图3：加热溶解了碳元素(2)的金属薄膜(1)至800至1200K。通入含有氮原子和硼原子的气体(3)。此气体分子可以为任意含有氮原子和硼原子的一种气体或者几种气体的组合。只要它(们)可以在金属表面经过催化作用形成六角氮化硼。例如环硼氮烷。气体(3)的气压范围为10-9mbar至2bar。 
图4：含有氮原子和硼原子的气体(3)在加热的金属表面分解，并形成单层六角氮化硼薄膜(4)。分解后的剩余产物为(5)。如果用环硼氮烷作为(3)。那么(5)的成分就是氢气或者氢原子。被并形成单层六角氮化硼薄膜(4)覆盖的金属表面将失去化学活性。在被覆盖的金属表面将不能继续生长六角氮化硼。从而控制生长的六角氮化硼(4)的厚度为单原子层。 
图5：当六角氮化硼覆盖整个金属薄膜(1)表面后，冷却金属薄膜(1)。其中溶解的碳元素(2)将析出在六角氮化硼(4)和金属(1)之间形成单层或者多层的石墨烯(6)。石墨烯(6)同单层六角氮化硼(4)构成复合材料。 
实例二：参照图2-图5。 
图2：为一片含有碳元素的金属薄膜(1)。其材料可以为铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、铑(Rh)和钨(W)中的一种或任意两种以上的组合。 
图3：加热含有碳元素(2)的金属薄膜(1)至800至1200K。通入含有氮原子和硼原子的气体(3)。此气体分子可以为任意含有氮原子和硼原子的一种气体或者几种气体的组合。只要它(们)可以在金属表面经过催化作用形成六角氮化硼。例如环硼氮烷。气体(3)的气压范围为10-9mbar至2bar。 
图4：含有氮原子和硼原子的气体(3)在加热的金属表面分解，并形成单层六角氮化硼薄膜(4)。分解后的剩余产物为(5)。如果用环硼氮烷作为(3)。那么(5)的成分就是氢气或者氢原子。被并形成单层六角氮化硼薄膜(4)覆盖的金属表面将失去化学活性。在被覆盖的金属表面将不能继续生长六角氮化硼。从而控制生长的六角氮化硼(4)的厚度为单原子层。 
图5：当六角氮化硼覆盖整个金属薄膜(1)表面后，冷却金属薄膜(1)。其中溶解的碳元素(2)将析出在六角氮化硼(4)和金属(1)之间形成单层或者多层的石墨烯(6)。石墨烯(6)同单层六角氮化硼(4)构成复合材料。 

Claims (9)

1.一种制备石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法。包括：金属薄膜(1)、金属中溶解的碳元素(2)、含氮原子硼原子的气体(3)、单层氮化硼薄膜(4)、气体分解后的剩余分子或原子(5)、石墨烯薄膜(6)。其特征为：加热的溶解了碳元素(2)的金属薄膜(1)至800至1200K。然后利用化学气相沉积的方式在金属表面生成单层六角氮化硼(4)。所用金属薄膜(1)为含有氮原子和硼原子的气体(3)分解的催化剂，当金属表面被单层六角氮化硼薄膜(4)覆盖后，将失去化学活性。在被覆盖的金属表面将不能继续生长六角氮化硼。从而控制生长的六角氮化硼(4)的厚度为单原子层。当六角氮化硼覆盖整个金属薄膜(1)表面后，冷却金属薄膜(1)。其中溶解的碳元素(2)将析出在六角氮化硼(4)和金属(1)之间形成单层或者多层的石墨烯(6)。石墨烯(6)同单层六角氮化硼(4)构成复合材料。通过此方法可以廉价快速地制备紧密结合的石墨烯和氮化硼的复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的金属薄膜(1)的材料可以为：铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、铑(Rh)和钨(W)中的一种或任意两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的金属薄膜(1)的厚度可以为1纳米至1毫米。
4.根据权利要求1所述的石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的金属薄膜(1)的可以为任意形式。例如：自支撑薄膜、其他衬底上生长的金属薄膜、等。
5.根据权利要求1所述的石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的金属中溶解的碳元素(2)可以为金属薄膜中本身具有的，也可以是通过其他手段添加进入的。
6.根据权利要求1所述的石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的含有氮原子和硼原子的气体(3)可以为任意含有氮原子和硼原子的一种气体或者几种气体的组合。只要它(们)可以在金属表面经过催化作用形成六角氮化硼。
7.根据权利要求1所述的石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的金属薄膜的冷却速度可以为2K每秒至0.0001K每秒。
8.根据权利要求1所述的石墨烯和单层六角氮化硼的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯(6)的厚度可以为0.05层原子至20层原子。
9.根据权利要求1所述的通入的含有氮原子和硼原子的气体的气压范围为10-9mbar至2bar。
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