CN104370282A - 一种简易制备n型石墨烯场效应管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种简易制备N型石墨烯场效应管的方法。以化学氧化制备的氧化石墨烯为原料，包括将氧化石墨烯片在基底上旋涂成薄膜，通过光照实现氮掺杂石墨烯的方法。将氟化石墨烯薄膜在NH3气（流量为10torr～30torr）氛围下，通过使用65到75mJ/cm2能量的激光或汞灯能选择的区域位置进行光照，光照时间在5～60分钟范围内，通过光照同时实现还原和氮原子的掺杂。本发明操作方便、成本低、能大批量制备，本发明通过光照时间、强度和掺氟浓度，以达到调控氮掺杂含量、石墨烯的导电率和带隙以及实现N型石墨烯场效应管的效果。

Description

一种简易制备N型石墨烯场效应管的方法
技术领域
本发明涉及一种结构与性能可控的宏量石墨烯材料的简易制备方法，特别是一种采用简单光照掺杂氮的方法，获得基于还原氧化石墨烯的N型场效应管产品。
背景技术
石墨烯具有理想的二维晶体结构赋予其光、电、磁、热等许多独特的物理化学性质，从而引起凝聚态物理，化学和材料科学等领域的广泛关注。但是，由于石墨烯是零带隙半导体，而且目前石墨烯通常采用微机械剥离、化学气相沉积和外延生长法制备，这些方法得到的石墨烯尺寸不易控制，无法得到均匀的大面积石墨烯，同时存在高成本和低效率等缺点。然而，通过氧化石墨烯（GO）的还原来制备石墨烯(RGO)因其成本低、可大批量制备，方法简便等特点被广泛采用。考虑到GO几乎呈电绝缘性，这也就限制了氧化石墨烯的进一步应用。而面临的一个主要问题就是如何较大程度的恢复其sp2结构。对于RGO而言，由于在环境中吸附含氧官能团，RGO通常表现为P型。因此，对于器件来说发展N型半导体石墨烯就显得尤为重要。
实验表明通过氮掺杂改变石墨烯的带隙以及其导电性能是非常常见的方法之一。而且GO氧化过程中引入的诸多含氧官能团为石墨烯进一步的功能化改性提供了大量活性位点。同时，氮掺杂石墨烯是N型半导体材料，在微电子技术上具有良好的应用前景。到目前为止，进行石墨烯氮掺杂的方式有很多，典型的有气相沉积，电弧放电，等离子体处理和热退火等方式。但是遗憾的是，这些方法掺氮量一般不超过10 at. %，而且工艺复杂，对于调控石墨烯的带隙效果不太显著。基于此，本发明找到了一种快速节能的掺氮石墨烯实现N型场效应管的制备方法。
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，提供一种简易制备N型石墨烯场效应管的方法。
为解决上述技术问题，本发明以化学氧化制备的氧化石墨烯为原料，将氧化石墨烯片在基底上旋涂成薄膜，利用含氧官能团为石墨烯进一步的功能化改性提供了大量活性位点促进N原子的掺杂，其氮掺杂的含量高达16 at.%，
在NH3气（流量为10torr～30torr）氛围，光照条件下，对GO薄膜进行氮掺杂还原，氮含量能达到16%。
具体步骤为：
（1）将6-10g鳞片石墨、6-10g硝酸钠和350-400mL市售的浓硫酸冰浴混匀；然后缓慢加入45-55g高锰酸钾，磁力搅拌混匀后在35摄氏温度中加热2小时；接着加入320mL去离子水搅拌15分钟，再加入800 mL去离子水和40 mL H2O2搅拌10分钟，得到绿色悬浮液。
（2）将步骤（1）得到的绿色悬浮液加入0.0001mol/L的稀硝酸溶液进行清洗，然后14000rpm的离心速度离心获得沉淀。
(3)重复步骤（2）2-3次。
(4) 将步骤(3）得到的悬浮液再加入去离子水，14000rpm高速离心得到沉淀。
（5）重复步骤（4）加入去离子水再离心的过程10遍，确保不含有其他杂质，得到氧化石墨烯溶液。
(6)将步骤（5）得到的氧化石墨烯溶液利用冷凝干燥机干燥，得到氧化石墨烯粉末。
（7）将步骤（6）得到的氧化石墨烯粉末与质量百分比浓度为80-90%的乙醇，配置溶液浓度为1mg/mL，超声辅助，超声时间25-35分钟，得到分散较好的氧化石墨烯-乙醇溶液；通过旋涂的方法在0.3-0.8mm SiO2/Si基片上将氧化石墨烯-乙醇溶液有序组装成大面积氧化石墨烯薄膜（GO薄膜），SiO2层厚度为200-500纳米，GO薄膜的含氧量较高，其中氧碳原子比为2：5；其中GO薄膜的厚度为30-100纳米。
（8）将步骤（7）所制得的GO薄膜放入一个石英舟里面，再将石英舟放入自制备的光照还原装置中，该装置由一能封闭、能通气体的透明容器，上方放上光源，光源的频谱范围在200nm至760nm之间，光源为单色光或白光；GO薄膜在流量为10torr～30torr 的NH3气氛围下，通过使用65 到 75 mJ/cm2能量的激光或汞灯能选择的区域位置进行光照，通过光照还原时产生脱氟效应，光源对GO薄膜实现全覆盖，经过5～60分钟的光照时间，即制得氮掺杂石墨烯薄膜。
（9）在大气氛围中，取下步骤（9）透明容器一侧的管道，取出氮掺杂石墨烯薄膜，氮掺杂石墨烯薄膜去除了大部分含氧基团。
（10）将步骤（9）所制备的氮掺杂石墨烯薄膜上分别蒸镀金电极做为源电极和漏电极，另外，在SiO2/Si底端镀上金电极作为栅电极。
本发明操作方便、成本低、能大批量制备，本发明通过光照时间、强度和掺氟浓度，以达到调控氮掺杂含量以及石墨烯的导电率和带隙的效果。具体采用光照还原掺杂方法实现N型石墨烯半导体薄膜电导和能带的调控，在透明电极，传感器，薄膜晶体管，超级电容器，场发射，太阳能电池等领域有着很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例所制得的氧化石墨烯片的透射电镜图。
图2为本发明实施例所制得的氮掺杂石墨烯薄膜表面扫描电镜图。
图3为本发明实施例所制得的氮掺杂石墨烯薄膜截面扫描电镜图。
图4为本发明实施例所制得的N型场效应管示意图。
图中标记：1-源电极；2-漏电极；3-氮掺杂石墨烯薄膜；4- SiO2 ；5- Si；6-栅电极。
图5为本发明实施例所测试的N型场效应管图。
具体实施方式
本发明获国家自然科学基金青年基金项目(NO:11304051)、中国博士后基金(NO:2014M551545)和广西自然科学基金(2014GXNSFBA118021)支持。
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）将8g鳞片石墨、8g硝酸钠和384mL市售的浓硫酸冰浴混匀；然后缓慢加入48g高锰酸钾，磁力搅拌混匀后在35摄氏温度中加热2小时；接着加入320mL去离子水搅拌15分钟，再加入800 mL去离子水和40 mL H2O2搅拌10分钟，得到绿色悬浮液。
（2）将步骤（1）得到的绿色悬浮液加入0.0001mol/L的稀硝酸溶液进行清洗，然后14000rpm的离心速度离心获得沉淀。
(3)重复步骤（2）3次。
(4) 将步骤(3）得到的悬浮液再加入去离子水，14000rpm高速离心得到沉淀。
（5）重复步骤（4）加入去离子水再离心的过程10遍，确保不含有其他杂质，得到氧化石墨烯溶液。
(6)将步骤（5）得到的氧化石墨烯溶液利用冷凝干燥机干燥，得到氧化石墨烯粉末。
（7）将步骤（6）得到的氧化石墨烯粉末与质量百分比浓度为90%的乙醇，配置溶液浓度为1mg/mL，超声辅助，超声时间30分钟，得到分散较好的氧化石墨烯-乙醇溶液；通过旋涂的方法在0.5mm SiO2/Si基片上将氧化石墨烯-乙醇溶液有序组装成大面积氧化石墨烯薄膜（GO薄膜），SiO2层厚度为500纳米，GO薄膜的含氧量较高，其中氧碳原子比为2：5；其中GO薄膜的厚度为50纳米。
（8）将步骤（7）所制得的GO薄膜放入一个石英舟里面，再将石英舟放入自制备的光照还原装置中，该装置由一能封闭、能通气体的透明容器，上方放上光源，光源的频谱范围在200nm至760nm之间，光源为白光；GO薄膜在流量为20torr NH3气氛围下，通过使用65 到 75 mJ/cm2能量的激光能选择的区域位置进行光照，通过光照还原时产生脱氟效应，光源对GO薄膜实现全覆盖，经过30分钟的光照时间，即制得氮掺杂石墨烯薄膜。
（9）在大气氛围中，取下步骤（9）透明容器一侧的管道，取出氮掺杂石墨烯薄膜，氮掺杂石墨烯薄膜去除了大部分含氧基团。
（10）将步骤（9）所制备的氮掺杂石墨烯薄膜上分别蒸镀金电极做为源电极和漏电极，另外，在SiO2/Si底端镀上金电极作为栅电极，如图4所示。
用台阶仪测量还原石墨烯薄膜的厚度，四探针法测量其电导率，场效应特征测量其导电类型以及导电电子迁移率，能作为场效应管或者太阳能电池的透明导电电极使用。
测试结果为：氮掺杂石墨烯薄膜的电导率为120 S/cm，为N型半导体，其中载流子迁移率为7.08 cm2V-1s-1。
在不同还原气氛中，改变光照时间和光照强度，前驱GO薄膜的氧含量，其他条件不变的前提下，得到不同的电导率。

Claims (1)

1.一种简易制备N型石墨烯场效应管的方法，其特征在于具体步骤为：
（1）将6-10g鳞片石墨、6-10g硝酸钠和350-400mL市售的浓硫酸冰浴混匀；然后缓慢加入45-55g高锰酸钾，磁力搅拌混匀后在35摄氏温度中加热2小时；接着加入320mL去离子水搅拌15分钟，再加入800 mL去离子水和40 mL H2O2搅拌10分钟，得到绿色悬浮液；
（2）将步骤（1）得到的绿色悬浮液加入0.0001mol/L的稀硝酸溶液进行清洗，然后14000rpm的离心速度离心获得沉淀；
(3)重复步骤（2）2-3次；
(4) 将步骤(3）得到的悬浮液再加入去离子水，14000rpm高速离心得到沉淀；
（5）重复步骤（4）加入去离子水再离心的过程10遍，确保不含有其他杂质，得到氧化石墨烯溶液；
(6)将步骤（5）得到的氧化石墨烯溶液利用冷凝干燥机干燥，得到氧化石墨烯粉末；
（7）将步骤（6）得到的氧化石墨烯粉末与质量百分比浓度为80-90%的乙醇，配置溶液浓度为1mg/mL，超声辅助，超声时间25-35分钟，得到分散较好的氧化石墨烯-乙醇溶液；通过旋涂的方法在0.3-0.8mm SiO2/Si基片上将氧化石墨烯-乙醇溶液有序组装成大面积氧化石墨烯薄膜即GO薄膜，SiO2层厚度为200-500纳米，GO薄膜的含氧量较高，其中氧碳原子比为2：5；其中GO薄膜的厚度为30-100纳米；
（8）将步骤（7）所制得的GO薄膜放入一个石英舟里面，再将石英舟放入自制备的光照还原装置中，该装置由一能封闭、能通气体的透明容器，上方放上光源，光源的频谱范围在200nm至760nm之间，光源为单色光或白光；GO薄膜在流量为10torr～30torr 的NH3气氛围下，通过使用65 到 75 mJ/cm2能量的激光或汞灯能选择的区域位置进行光照，通过光照还原时产生脱氟效应，光源对GO薄膜实现全覆盖，经过5～60分钟的光照时间，即制得氮掺杂石墨烯薄膜；
（9）在大气氛围中，取下步骤（9）透明容器一侧的管道，取出氮掺杂石墨烯薄膜，氮掺杂石墨烯薄膜去除了大部分含氧基团；
（10）将步骤（9）所制备的氮掺杂石墨烯薄膜上分别蒸镀金电极做为源电极和漏电极，另外，在SiO2/Si底端镀上金电极作为栅电极。
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