CN105121337A - 石墨烯、用于制备石墨烯的组合物和利用该组合物制备石墨烯的方法 - Google Patents

石墨烯、用于制备石墨烯的组合物和利用该组合物制备石墨烯的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种石墨烯、用于制备石墨烯的组合物和利用该组合物制备石墨烯的方法。

Description

石墨烯、用于制备石墨烯的组合物和利用该组合物制备石墨烯的方法
技术领域
一个或更多个示例性实施例涉及一种石墨烯、用于制备石墨烯的组合物和利用该组合物制备石墨烯的方法。
背景技术
诸如显示装置和太阳能电池的各种电子装置领域中正在积极地进行新材料的发展。具体来说，针对能够取代主要用作电子装置的透明电极的氧化铟锡(ITO)的新材料的研究正在积极进行。研究主要集中在这些新材料之中的含碳材料上，例如，碳纳米管、金刚石、石墨、石墨烯等。
具体来说，由于石墨烯在电传导性和透明性方面优异，因此已经提出了制备石墨烯的各种方法。制备石墨烯的方法主要可以分为用于制备石墨烯的机械方法和化学方法。制备石墨烯的机械方法可以包括利用透明胶带(scotchtape)使石墨烯与石墨样品分离的方法。利用透明胶带的这种方法可以防止石墨烯的表面损坏，但是不适于扩大石墨烯规模。CVD方法是这样一种方法，即，将气相碳供给源注射到其中设有金属催化剂的容器中，加热该容器，然后再次冷却加热的容器以使石墨烯片在金属催化剂的表面上生长。CVD方法还可以包括去除金属催化剂的步骤。在相关领域中用于去除金属催化剂所通常使用的方法(例如，用盐溶液进行蚀刻)会损坏石墨烯的表面，因此难以形成具有低薄层电阻值的石墨烯片。
发明内容
一个或更多个示例性实施例包括具有低薄层电阻值的石墨烯、用于制备石墨烯的组合物和利用该组合物制备石墨烯的方法。
根据一个或更多个示例性实施例，石墨烯包括含氮有机化合物。
根据一个或更多个示例性实施例，用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸。
根据一个或更多个示例性实施例，制备石墨烯的方法包括使用用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯以获得掺杂的石墨烯，该组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸。
根据一个或更多个示例性实施例，制备石墨烯的方法包括：在金属催化剂的至少一侧上形成石墨烯；使用用于制备石墨烯的组合物同时去除金属催化剂并且掺杂石墨烯，该组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明构思的示例性实施例的制备石墨烯的方法的图；
图2是示意性地示出根据本发明构思的另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图；
图3是示意性地示出根据本发明构思的另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图；
图4是示意性地示出根据本发明构思的另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图。
最优选的实施形态
本发明的一实施例中公开一种包括含氮有机化合物的石墨烯。
所述含氮有机化合物是从取代或非取代的C2-C60杂芳基中选择的至少一种。
所述含氮有机化合物是从取代或非取代的吡咯、取代或非取代的咪唑、取代或非取代的吡唑、取代或非取代的吡啶、取代或非取代的吡嗪、取代或非取代的嘧啶、取代或非取代的哒嗪、取代或非取代的吲哚、取代或非取代的喹啉、取代或非取代的苯并喹啉、取代或非取代的苯并咪唑、取代或非取代的三嗪以及取代或非取代的咔唑中选择的至少一种。
所述含氮有机化合物是从以下物质中选择的至少一种：吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑；以及均取代有氘、卤素原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基中的至少一者的吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑。
所述含氮有机化合物是从咪唑和苯并咪唑以及均取代有氘、甲基和乙基中的至少一者的咪唑和苯并咪唑中选择的至少一种。
本发明的另一实施例中公开一种用于制备石墨烯的组合物，所述组合物包括：含氮有机化合物；氧化剂；以及酸。
所述含氮有机化合物是从取代或非取代的C2-C60杂芳基中选择的至少一种。
所述含氮有机化合物是从取代或非取代的吡咯、取代或非取代的咪唑、取代或非取代的吡唑、取代或非取代的吡啶、取代或非取代的吡嗪、取代或非取代的嘧啶、取代或非取代的哒嗪、取代或非取代的吲哚、取代或非取代的喹啉、取代或非取代的苯并喹啉、取代或非取代的苯并咪唑、取代或非取代的三嗪以及取代或非取代的咔唑中选择的至少一种。
所述含氮有机化合物是从以下物质中选择的至少一种：吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑；以及均取代有氘、卤素原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基中的至少一者的吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑。
所述含氮有机化合物是从咪唑和苯并咪唑以及均取代有氘、甲基和乙基中的至少一者的咪唑和苯并咪唑中选择的至少一种。
所述氧化剂是从H2O2、(NH4)S2O8、HClO和HClO4中选择的至少一种。
所述酸是从H2SO4、HNO3、H3PO4、HCl和CH3COOH中选择的至少一种。
所述组合物包括0.2wt％至10wt％的含氮有机化合物、1wt％至10wt％的氧化剂、2wt％至30wt％的酸以及平衡溶剂。
本发明的又一实施例，公开一种方法，所述制备石墨烯的方法包括：使用用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯，以获得掺杂的石墨烯，所述用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸。
所述制备石墨烯的方法包括以下步骤：(a)将载体膜与石墨烯的一侧结合；(b)使用用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯与所述载体膜的层叠件，以获得掺杂的石墨烯，所述用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸；以及(c)将所述掺杂的石墨烯转移到靶膜上。
所述制备石墨烯的方法包括：将靶膜与所述石墨烯的一侧结合，然后使用所述用于制备石墨烯的组合物来掺杂所述石墨烯与所述靶膜的层叠件，以获得掺杂的石墨烯。
本发明的又一实施例中，公开一种制备石墨烯的方法，所述方法包括：在金属催化剂的至少一侧上形成石墨烯；使用用于制备石墨烯的组合物同时去除金属催化剂并掺杂所述石墨烯，以获得掺杂的石墨烯，所述用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸。
所述制备石墨烯的方法还包括：在金属催化剂的至少一侧上形成所述石墨烯，然后在所述石墨烯的没有形成金属催化剂的一侧上形成载体膜。
所述制备石墨烯的方法还包括：使用用于制备石墨烯的组合物同时去除金属催化剂并掺杂所述石墨烯，以获得掺杂的石墨烯，将所述掺杂的石墨烯转移到靶膜上。
所述制备石墨烯的方法包括以下步骤：
(a)在金属催化剂的至少一侧上形成石墨烯；
(b)在所述石墨烯的没有形成所述金属催化剂的一侧上形成载体膜；
(c)使用用于制备石墨烯的组合物同时去除金属催化剂并掺杂所述石墨烯，以获得掺杂的石墨烯，所述用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸；以及
(d)将所述掺杂的石墨烯转移到靶膜上。
具体实施方式
在下文中，将更加详细地描述根据本发明构思的示例性实施例的石墨烯、用于制备石墨烯的组合物和利用该组合物制备石墨烯的方法。
在本说明书中使用的术语“石墨烯”是指通过共价键(通常为sp2键)彼此连接使得碳原子形成为二维膜形式的多个碳原子。组成石墨烯的碳原子形成作为基本重复单元的六元环，但是可以另外包括五元环和/或七元环。根据可以包括在石墨烯中的五元环和/或七元环的量，石墨烯的形式可以改变。石墨烯可以形成为单层，但多个单层可以层叠以形成多层。这里，石墨烯层的最大厚度可以为大约100nm。
在本说明书中使用的术语“用于制备石墨烯的组合物”是指去除用在石墨烯的制备中的金属催化剂的组合物和/或用在掺杂石墨烯中的组合物。
本说明书中使用的术语“层叠件”是指多个层，即，基于根据本发明构思的示例性实施例的制备石墨烯的方法的各步骤，除石墨烯之外，附加地包括一个或更多个金属催化剂、载体膜和靶膜的状态。
根据本发明构思的方面，石墨烯可以包括含氮有机化合物。含氮有机化合物是包括氮原子的碳化合物，含氮有机化合物的类型没有特别的限定，只要是可以降低石墨烯的薄层电阻值即可。含氮有机化合物可以化学地和/或物理地结合到石墨烯的表面，并且可以化学地和/或物理地结合到组成石墨烯的多个层之间，但含氮有机化合物不限于此。即，如果可以降低石墨烯的薄层电阻值，就不限定含氮有机化合物的结合位置或结合方法。
在利用诸如AuCl3的金属盐掺杂石墨烯的情况下，可以降低石墨烯的薄层电阻值的同时石墨烯的透明度会降低。同时，在利用诸如HNO3的酸掺杂石墨烯的情况下，可以降低石墨烯的薄层电阻值的同时也可以保持石墨烯的透明度。然而，不会长时间保持这种掺杂效果。然而，在利用含氮有机化合物掺杂石墨烯的情况下，可以降低石墨烯的薄层电阻值的同时可以保持石墨烯的透明度。另外，可以长时间保持石墨烯的降低的薄层电阻值。
例如，含氮有机化合物可以是取代或非取代的C2-C60杂芳基中的至少一种，但不限于此。
例如，含氮有机化合物可以是从取代或非取代的吡咯、取代或非取代的咪唑、取代或非取代的吡唑、取代或非取代的吡啶、取代或非取代的吡嗪、取代或非取代的嘧啶、取代或非取代的哒嗪、取代或非取代的吲哚、取代或非取代的喹啉、取代或非取代的苯并喹啉、取代或非取代的苯并咪唑、取代或非取代的三嗪以及取代或非取代的咔唑中选择的至少一种，但含氮有机化合物不限于此。
例如，含氮有机化合物可以是从以下物质中选择的至少一种：吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑；以及均取代有氘、卤素原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基中的至少一者的吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑，但含氮有机化合物不限于此。
例如，含氮有机化合物可以是从以下物质中选择的至少一种：咪唑和苯并咪唑、以及均取代有氘、甲基和乙基中的至少一者的咪唑和苯并咪唑，但含氮有机化合物不限于此。
例如，含氮有机化合物可以是从咪唑、苯并咪唑、5,6-二甲基苯并咪唑和1,2-二甲基苯并咪唑中选择的至少一种，但含氮有机化合物不限于此。
用含氮有机化合物掺杂的石墨烯可以具有大约大于0Ω/sq至大约300Ω/sq或更小的薄层电阻值，例如，大约100Ω/sq至大约200Ω/sq。
在示例性实施例中，用含氮有机化合物掺杂的石墨烯可以用于取代现有的ITO电极，但石墨烯不限于此。具体来说，石墨烯可以用作透明电极，更具体地说，石墨烯可以用作用于触摸面板的透明电极。另外，石墨烯可以用作用于太阳能电池的电极。
根据本发明构思的另一方面，用于制备石墨烯的组合物可以包括含氮有机化合物、氧化剂和酸。当包括含氮有机化合物和酸这两者的组合物用于石墨烯的制备时，可以降低石墨烯的薄层电阻值。例如，当包括含氮有机化合物但不包括酸的组合物用于石墨烯的制备时，不会降低石墨烯的薄层电阻值。即，将仅包括含氮有机化合物的组合物用于石墨烯的制备时，石墨烯不会被掺杂。
含氮有机化合物可以具有降低石墨烯的薄层电阻值的功能。含氮有机化合物可以是从取代或非取代C2-C60杂芳基中选择的至少一种，但含氮有机化合物不限于此。
例如，含氮有机化合物可以是从取代或非取代的吡咯、取代或非取代的咪唑、取代或非取代的吡唑、取代或非取代的吡啶、取代或非取代的吡嗪、取代或非取代的嘧啶、取代或非取代的哒嗪、取代或非取代的吲哚、取代或非取代的喹啉、取代或非取代的苯并喹啉、取代或非取代的苯并咪唑、取代或非取代的三嗪以及取代或非取代的咔唑中选择的至少一种，但含氮有机化合物不限于此。例如，含氮有机化合物可以是从以下物质中选择的至少一种：吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑；以及均取代有氘、卤素原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基中的至少一者的吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑，但含氮有机化合物不限于此。
例如，含氮有机化合物可以是从以下物质中选择的至少一种：咪唑和苯并咪唑、以及均取代有氘、甲基和乙基中的至少一者的咪唑和苯并咪唑，但含氮有机化合物不限于此。
例如，含氮有机化合物可以是从咪唑、苯并咪唑、5,6-二甲基苯并咪唑和1,2-二甲基苯并咪唑中选择的至少一种，但含氮有机化合物不限于此。
氧化剂可以是从H2O2、(NH4)S2O8、HClO和ClO4中选择的至少一种，但氧化剂不限于此。例如，氧化剂可以是H2O2。另外，氧化剂可以以固体形式被引入用于制备石墨烯的组合物中，或者氧化剂可以以该氧化剂被溶解到诸如水的溶剂中的状态被引入。
酸可以是从H2SO4、HNO3、H3PO4、HCl和CH3COOH中选择的至少一种，但该酸不限于此。酸可以以该酸被溶解到诸如水的溶剂中的状态被引入用于制备石墨烯的组合物中。例如，该酸可以是95wt％的硫酸水溶液或者85wt％的磷酸水溶液。
用于制备石墨烯的组合物可以包括大约0.2wt％至大约10wt％的含氮有机化合物、大约1wt％至大约10wt％的氧化剂、大约2wt％至大约30wt％的酸以及平衡溶剂。然而，用于制备石墨烯的组合物不限于此。在本说明书中，含氮有机化合物、氧化剂和酸的含量基于用于制备石墨烯的组合物的总重量。用于制备石墨烯的组合物可以包括，例如，大约0.5wt％或更多的含氮有机化合物，大约1wt％或更多的含氮有机化合物，大约2.5wt％或更少的含氮有机化合物，或者大约2wt％或更少的含氮有机化合物。用于制备石墨烯的组合物可以包括，例如，大约2wt％或更多的氧化剂、大约3wt％或更多的氧化剂，大约9wt％或更少的氧化剂，或者大约8wt％或更少的氧化剂。用于制备石墨烯的组合物可以包括，例如，大约3wt％或更多的酸，大约5wt％或更多的酸，大约18wt％或更少的酸，或者大约15wt％或更少的酸。
可以将水用作用于制备石墨烯的组合物的溶剂。即，用于制备石墨烯的组合物可以是含氮有机化合物、氧化剂和酸的水溶液。然而，如果该溶剂包括能够使氧化剂和酸均匀分散的任何材料，则对材料就没有特别限制。因此，除水之外，溶剂可以另外包括亲水的其它液体。可选择地，溶剂可以另外包括诸如四氢呋喃的有机溶剂以使含氮有机化合物均匀分散。
用于制备石墨烯的组合物可以另外包括添加剂，本领域中众所周知的任何添加剂均可以用于本发明构思中。例如，添加剂包括分散剂、贮存稳定剂、稳定剂和它们的混合物。基于用于制备石墨烯的组合物的总重量，可以含有添加剂的量的范围为大约3wt％至大约20wt％。
将含氮有机化合物、氧化剂、酸和溶剂进行原位混合，使得该混合物可以用作用于制备石墨烯的组合物。可选择地，在混合含氮有机化合物、氧化剂、酸和溶剂以制备组合物之后，可以储存并使用所制备的组合物。具体来说，当在混合含氮有机化合物、氧化剂、酸和溶剂以制备组合物之后储存并使用所制备的组合物时，用于制备石墨烯的组合物可以另外包括诸如分散剂、贮存稳定剂等的添加剂。另外，当用于制备石墨烯的组合物包括作为氧化剂的H2O2时，用于制备石墨烯的组合物可以另外包括诸如用于控制H2O2的氧化反应的稳定剂的添加剂。
图1是示意性地示出根据示例性实施例的制备石墨烯的方法的图。在下文中，如下通过参照图1来描述制备石墨烯的方法。
将载体膜120与石墨烯110的一侧结合。
只要载体膜120支撑石墨烯110以便于石墨烯110的转移、保持石墨烯110的形状并且防止石墨烯110的损坏，就可以使用任何类型的载体膜120。例如，载体膜120可以是热释放胶带或聚合物载体，但载体膜120不限于此。尽管热释放胶带的一侧在室温下具有粘合性，但热释放胶带在预定的温度下或更高的温度下具有失去粘合性的性质。聚合物载体包括诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物，可以在通过溶液法在石墨烯110的一侧上形成聚合物之后在期望的时间通过有机溶剂来去除该聚合物。
为了获得掺杂的石墨烯130，用包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯110与载体膜120的层叠件。
含氮有机化合物、氧化剂和酸的功能、类型、使用形式或含量是指上面提到的用于制备石墨烯的组合物。
如果步骤能够获得掺杂的石墨烯，就可以使用获得掺杂的石墨烯130的任何步骤。例如，通过使用用于制备石墨烯的组合物来浸渍石墨烯110与载体膜120的层叠件来执行所述步骤，或者通过将用于制备石墨烯的组合物喷涂到石墨烯110与载体膜120的层叠件上来执行所述步骤。
将掺杂的石墨烯130转移到靶膜140上。
靶膜140可以是装置的施用掺杂的石墨烯130的一部分，具体来说可以是装置的电极的一个表面。
为了将掺杂的石墨烯130转移到靶膜140上，将石墨烯110与载体膜120的层叠件结合到靶膜140，然后去除载体膜120。例如，当载体膜120是热释放胶带时，通过在热释放胶带失去粘合性的预定温度下或更高的温度下将力施加到掺杂的石墨烯130，来使热释放胶带与掺杂的石墨烯130分离。例如，当载体膜120是聚合物载体时，将诸如丙酮的有机溶剂施用到聚合物载体，以将载体聚合物从掺杂的石墨烯130去除。
图2是示意性地示出根据另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图。在下文中，如下通过参照图2来描述制备石墨烯的方法。
将靶膜240与石墨烯210的一侧结合。
靶膜240的描述参照图1的靶膜140的描述。
为了获得掺杂的石墨烯230，用包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯210与靶膜240的层叠件。
含氮有机化合物、氧化剂和酸的功能、类型、使用形式、含量等是指上面提到的用于制备石墨烯的组合物。
对获得掺杂的石墨烯230的步骤的描述参照图1的对获得掺杂的石墨烯的步骤的描述。
图3是示意性地示出根据另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图。在下文中，如下通过参照图3来描述制备石墨烯的方法。
尽管在图中未示出，但对金属催化剂350进行预处理。
金属催化剂350可以用作石墨烯生长的地方。如果石墨烯在金属催化剂350生长，就不限制金属催化剂350的形式。例如，金属催化剂350可以是片、基板或者膜。
金属催化剂350可以是至少从铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、铑(Rh)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、铀(U)、钒(V)、钯(Pd)、钇(Y)、锆(Zr)、锗(Ge)和它们的合金中选择的至少一种，但金属催化剂350不限于此。
金属催化剂350可以是单独的层，或者可以是由两层或更多层组成的多层基板中的最外层。
可以在预处理金属催化剂350的工艺中使用氢气来去除存在于金属催化剂350的表面上的杂质金属。另外，预处理金属催化剂350的工艺可以减少在石墨烯的形成期间通过利用酸、碱性溶液等来清洁金属催化剂350的表面所导致的石墨烯的损伤。在需要的情况下，可以省略清洗金属催化剂350的表面的工艺。
使石墨烯310形成在金属催化剂350的至少一侧上。
在金属催化剂350的至少一侧上形成石墨烯310的步骤不限于具体的方法。例如，可以将诸如化学气相沉积(CVD)、热化学气相沉积(TCVD)、快速热化学气相沉积(RTCVD)、电感耦合等离子体化学气相沉积(ICP-CVD)和原子层沉积(ATLD)的各种工艺用于该步骤中。该步骤的非限定性示例可以包括CVD。
CVD是这样的方法，即，通过将气相碳供给源注射到其中设有金属催化剂的容器中并加热该容器之后再次冷却加热的容器，从而在金属催化剂的表面上使石墨烯片生长。
气相碳供给源可以是一氧化碳、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、环戊二烯、己烷、环己烷、苯、甲苯或它们中的两种或更多种的混合物。这种气相碳供给源在高温下被分解为碳原子和氢原子。分解的碳原子沉积到加热的金属催化剂350上，并且在金属催化剂350冷却的同时形成石墨烯310。
可以在金属催化剂350的至少一侧上形成石墨烯310。如图3中所示，可以在金属催化剂350的一侧上形成石墨烯310，但是石墨烯310的形成不限于此。还可以在金属催化剂350的两个面上均形成石墨烯310。
在石墨烯310的形成金属催化剂350的一侧上形成载体膜320。
对载体膜320的描述参照对图1的载体膜120的描述。
通过将包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的用于制备石墨烯的组合物施用于载体膜320、石墨烯310和金属催化剂350的层叠件，从而去除金属催化剂350并同时掺杂石墨烯310，来获得掺杂的石墨烯330。
由于去除金属催化剂350并同时掺杂石墨烯310，因此可以经济地制备掺杂的石墨烯330。即，由于与去除金属催化剂后掺杂石墨烯的方法相比，该方法可以省略一个步骤的制备工艺，因此降低了用于制备掺杂的石墨烯的成本。另外，可以通过使用用于制备石墨烯的组合物来长时间保持掺杂的石墨烯330的降低的薄层电阻值。
同时去除金属催化剂350和掺杂石墨烯310以获得掺杂的石墨烯330的步骤可以执行大约3分钟至大约60分钟。例如，用于制备石墨烯的组合物可以在大约3分钟至大约60分钟，例如大约3分钟至大约15分钟或者大约5分钟至大约10分钟的时间范围内同时去除金属催化剂350并掺杂石墨烯310。由于在实施大约3分钟至大约60分钟的时间范围时可以在基本上完全去除金属催化剂350的同时充分掺杂石墨烯310，因此可以将掺杂的石墨烯330的薄层电阻值降低到最大限度。可以根据情况适当地控制使用用于制备石墨烯的组合物时间范围。
按每大约50g金属催化剂350可以使用用于制备石墨烯的组合物的量为大约500mL至大约1000mL。
将掺杂的石墨烯330转移到靶膜340上。
为了将掺杂的石墨烯330转移到靶膜340上，将石墨烯310与载体膜320的层叠件与靶膜340结合的方法参照图1的描述。
对靶膜340的描述参照图1的靶膜140。
图4是示意性地示出根据另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图。在下文中，如下通过参照图4来描述制备石墨烯的方法。
尽管其在图中未示出，但可以对金属催化剂450进行预处理。
对预处理金属催化剂450的步骤的描述参照对图3的预处理金属催化剂350的步骤的描述。
石墨烯410形成在金属催化剂450的至少一侧上。
对在金属催化剂450的至少一侧上形成石墨烯410的步骤的描述参照对图3的在金属催化剂350的至少一侧上形成石墨烯310的步骤的描述。
可以在金属催化剂450的至少一侧上形成石墨烯410。如图4中所示，可以在金属催化剂450的两侧上均形成石墨烯410，但石墨烯410的形成不限于此。还可以在金属催化剂450的一侧上形成石墨烯410。
将载体膜420与石墨烯410的其上形成金属催化剂450的一侧结合。
对载体膜420的描述参照对图1的载体膜120的描述。
去除金属催化剂450。
去除金属催化剂450的步骤不限于具体的方法。例如，去除金属催化剂450的步骤可以通过电化学分离法来执行。
电化学分离法是这样的方法，即，通过将金属催化剂与石墨烯的层叠件浸渍在电极溶液中并且将电压施加到层叠件来使石墨烯与金属催化剂分离的方法。电化学分离法用于分离形成在金属催化剂的两侧上的石墨烯，使得可以使用所有分离的石墨烯。
将载体膜120与石墨烯110的一侧结合。
只要载体膜120支撑石墨烯110以便于石墨烯110的转移、保持石墨烯110的形状并且防止石墨烯110的损坏，就可以使用任何类型的载体膜120。例如，载体膜120可以是热释放胶带或聚合物载体，但载体膜120不限于此。尽管热释放胶带的一侧在室温下具有粘合性，但热释放胶带在预定的温度下或更高的温度下具有失去粘合性的性质。聚合物载体包括诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物，可以在通过溶液法在石墨烯110的一侧上形成聚合物之后在期望的时间通过有机溶剂来去除该聚合物。
为了获得掺杂的石墨烯130，用包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯110与载体膜120的层叠件。
含氮有机化合物、氧化剂和酸的功能、类型、使用形式或含量等参考上面提到的用于制备石墨烯的组合物。
如果步骤能够获得掺杂的石墨烯，就可以使用获得掺杂的石墨烯130的任何步骤。例如，通过使用用于制备石墨烯的组合物来浸渍石墨烯110与载体膜120的层叠件来执行所述步骤，或者通过将用于制备石墨烯的组合物喷涂到石墨烯110与载体膜120的层叠件上来执行所述步骤。
将掺杂的石墨烯130转移到靶膜140上。
靶膜140可以是装置的施用掺杂的石墨烯130的一部分，具体来说可以是装置的电极的一个表面。
为了将掺杂的石墨烯130转移到靶膜140上，将石墨烯110与载体膜120的层叠件结合到靶膜140，然后去除载体膜120。例如，当载体膜120是热释放胶带时，通过在热释放胶带失去粘合性的预定温度下或更高的温度下将力施加到掺杂的石墨烯130，来使热释放胶带与掺杂的石墨烯130分离。例如，当载体膜120是聚合物载体时，将诸如丙酮的有机溶剂施用到聚合物载体，以将载体聚合物从掺杂的石墨烯130去除。
图2是示意性地示出根据另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图。在下文中，如下通过参照图2来描述制备石墨烯的方法。
将靶膜240与石墨烯210的一侧结合。
靶膜240的描述参照图1的靶膜140的描述。
为了获得掺杂的石墨烯230，用包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯210与靶膜240的层叠件。
含氮有机化合物、氧化剂和酸的功能、类型、使用形式、含量等是指上面提到的用于制备石墨烯的组合物。
对获得掺杂的石墨烯230的步骤的描述参照图1的对获得掺杂的石墨烯的步骤的描述。
图3是示意性地示出根据另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图。在下文中，如下通过参照图3来描述制备石墨烯的方法。
尽管在图中未示出，但对金属催化剂350进行预处理。
金属催化剂350可以用作石墨烯生长的地方。如果石墨烯在金属催化剂350生长，就不限制金属催化剂350的形式。例如，金属催化剂350可以是片、基板或者膜。
金属催化剂350可以是至少从铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、铑(Rh)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、铀(U)、钒(V)、钯(Pd)、钇(Y)、锆(Zr)、锗(Ge)和它们的合金中选择的至少一种，但金属催化剂350不限于此。
金属催化剂350可以是单独的层，或者可以是由两层或更多层组成的多层基板中的最外层。
可以在预处理金属催化剂350的工艺中使用氢气来去除存在于金属催化剂350的表面上的杂质金属。另外，预处理金属催化剂350的工艺可以减少在石墨烯的形成期间通过利用酸、碱性溶液等来清洁金属催化剂350的表面所导致的石墨烯的损伤。在需要的情况下，可以省略清洗金属催化剂350的表面的工艺。
使石墨烯310形成在金属催化剂350的至少一侧上。
在金属催化剂350的至少一侧上形成石墨烯310的步骤不限于具体的方法。例如，可以将诸如化学气相沉积(CVD)、热化学气相沉积(TCVD)、快速热化学气相沉积(RTCVD)、电感耦合等离子体化学气相沉积(ICP-CVD)和原子层沉积(ATLD)的各种工艺用于该步骤中。该步骤的非限定性示例可以包括CVD。
CVD是这样的方法，即，通过将气相碳供给源注射到其中设有金属催化剂的容器中并加热该容器之后再次冷却加热的容器，从而在金属催化剂的表面上使石墨烯片生长。
气相碳供给源可以是一氧化碳、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、环戊二烯、己烷、环己烷、苯、甲苯或它们中的两种或更多种的混合物。这种气相碳供给源在高温下被分解为碳原子和氢原子。分解的碳原子沉积到加热的金属催化剂350上，并且在金属催化剂350冷却的同时形成石墨烯310。
可以在金属催化剂350的至少一侧上形成石墨烯310。如图3中所示，可以在金属催化剂350的一侧上形成石墨烯310，但是石墨烯310的形成不限于此。还可以在金属催化剂350的两个面上均形成石墨烯310。
在石墨烯310的没有形成金属催化剂350的一侧上形成载体膜320。
对载体膜320的描述参照对图1的载体膜120的描述。
通过将包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的用于制备石墨烯的组合物施用于载体膜320、石墨烯310和金属催化剂350的层叠件，从而去除金属催化剂350并同时掺杂石墨烯310，来获得掺杂的石墨烯330。
由于去除金属催化剂350并同时掺杂石墨烯310，因此可以经济地制备掺杂的石墨烯330。即，由于与去除金属催化剂后掺杂石墨烯的方法相比，该方法可以省略一个步骤的制备工艺，因此降低了用于制备掺杂的石墨烯的成本。另外，可以通过使用用于制备石墨烯的组合物来长时间保持掺杂的石墨烯330的降低的薄层电阻值。
同时去除金属催化剂350和掺杂石墨烯310以获得掺杂的石墨烯330的步骤可以执行大约3分钟至大约60分钟。例如，用于制备石墨烯的组合物可以在大约3分钟至大约60分钟，例如大约3分钟至大约15分钟或者大约5分钟至大约10分钟的时间范围内同时去除金属催化剂350并掺杂石墨烯310。由于在实施大约3分钟至大约60分钟的时间范围时可以在基本上完全去除金属催化剂350的同时充分掺杂石墨烯310，因此可以将掺杂的石墨烯330的薄层电阻值降低到最大限度。可以根据情况适当地控制使用用于制备石墨烯的组合物时间范围。
按每大约50g金属催化剂350可以使用用于制备石墨烯的组合物的量为大约500mL至大约1000mL。
将掺杂的石墨烯330转移到靶膜340上。
为了将掺杂的石墨烯330转移到靶膜340上，将石墨烯310与载体膜320的层叠件与靶膜340结合的方法参照图1的描述。
对靶膜340的描述参照图1的靶膜140。
图4是示意性地示出根据另一示例性实施例的制备石墨烯的方法的图。在下文中，如下通过参照图4来描述制备石墨烯的方法。
尽管其在图中未示出，但可以对金属催化剂450进行预处理。
对预处理金属催化剂450的步骤的描述参照对图3的预处理金属催化剂350的步骤的描述。
石墨烯410形成在金属催化剂450的至少一侧上。
对在金属催化剂450的至少一侧上形成石墨烯410的步骤的描述参照对图3的在金属催化剂350的至少一侧上形成石墨烯310的步骤的描述。
可以在金属催化剂450的至少一侧上形成石墨烯410。如图4中所示，可以在金属催化剂450的两侧上均形成石墨烯410，但石墨烯410的形成不限于此。还可以在金属催化剂450的一侧上形成石墨烯410。
将载体膜420与石墨烯410的其上形成金属催化剂450的一侧结合。
对载体膜420的描述参照对图1的载体膜120的描述。
去除金属催化剂450。
去除金属催化剂450的步骤不限于具体的方法。例如，去除金属催化剂450的步骤可以通过电化学分离法来执行。
电化学分离法是这样的方法，即，通过将金属催化剂与石墨烯的层叠件浸渍在电极溶液中并且将电压施加到层叠件来使石墨烯与金属催化剂分离的方法。电化学分离法用于分离形成在金属催化剂的两侧上的石墨烯，使得可以使用所有分离的石墨烯。
电解质溶液可以包括从NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3和硅酸钠中选择的至少一种，但电解质溶液不限于此。
电压可以为大约3V至大约30V，但电压不限于此。
将包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的用于制备石墨烯的组合物施用于载体膜420与石墨烯410的层叠件，并且用用于制备石墨烯的组合物掺杂石墨烯410来获得掺杂的石墨烯430。
使用用于制备石墨烯的组合物，使得可以长时间保持掺杂的石墨烯430的降低的薄层电阻值。
对掺杂石墨烯410来获得掺杂的石墨烯430的步骤的描述参照对图1的掺杂石墨烯110来获得掺杂的石墨烯130的步骤的描述。
将掺杂的石墨烯430转移到靶膜440上。
为了将掺杂的石墨烯430转移到靶膜440上，石墨烯410与载体膜420的层叠件与靶膜440结合的方法参照图1的描述。
对靶膜440的描述参照图1的靶膜140。
在下文中，通过参照图1至图4来描述制备石墨烯的方法，但其不限于此。
在下文中，将参照下面的示例更加详细地描述一个或更多个实施例。然而，这些示例仅用于说明的目的，并且不意图限制所述一个或更多个实施例的范围。
示例1
将35μm铜(Cu)板置于CVD炉中。在大约1000℃的温度下使CH4以大约30每分钟标准立方厘米(sccm)的流速流到炉中大约5分钟之后，在H2气氛中，以大约60℃/min冷却速度使Cu板冷却到大约600℃的温度，然后以大约40℃/min冷却速度使Cu板冷却到大约室温，从而在Cu上形成石墨烯。
将Cu与石墨烯的层叠件浸渍在4wt％(NH4)S2O8水溶液中大约120分钟，从而去除Cu并获得石墨烯。
将由其获得的石墨烯浸渍到包括9wt％的咪唑、3wt％的H2O2、9wt％的H2SO4和平衡水的组合物中大约60分钟，从而获得掺杂的石墨烯。
示例2
将35μmCu板置于CVD炉中。在大约1000℃的温度下使CH4以大约30sccm的流速流到炉中大约5分钟之后，在H2气氛中，以大约60℃/min冷却速度使Cu板冷却到大约600℃的温度，然后以大约40℃/min冷却速度使Cu板冷却到大约室温，从而在Cu上形成石墨烯。
将石墨烯浸渍到包括9wt％的咪唑、3wt％的H2O2、9wt％的H2SO4和平衡水的组合物中大约15分钟，从而去除Cu并且同时掺杂获得的石墨烯，然后，获得掺杂的石墨烯。
对比示例
将35μmCu板置于CVD炉中。在大约1000℃的温度下使CH4以大约30sccm的流速流到炉中大约5分钟之后，在H2气氛中，以大约60℃/min冷却速度使Cu板冷却到大约600℃的温度，然后以大约40℃/min冷却速度使Cu板冷却到大约室温，从而在Cu上形成石墨烯。
将Cu与石墨烯的层叠件浸渍在4wt％(NH4)S2O8水溶液中大约120分钟，从而去除Cu并获得石墨烯。
将由此获得的石墨烯用大约70wt％的HNO3气相掺杂大约3分钟，从而获得掺杂的石墨烯。
评价示例
对在示例1和示例2以及对比示例中制备的石墨烯进行测量薄层电阻值以及薄层电阻值随时间的改变。
所述薄层电阻值是在通过利用自动薄层电阻仪(可购自DasolENG)自动选择出的大约143个测量点所测量的薄层电阻值的平均值。测量结果示出在下面的表1和表2中。
[表1]
*注意的是，在掺杂石墨烯之后48小时内测量上面的薄层电阻值。
[表2]
**注意的是，由于在示例2中金属催化剂的去除和石墨烯的掺杂同时发生，因此不单独测量在掺杂石墨烯之前的测量的薄层电阻值。
参照表1，确认通过使用包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的组合物，可以降低石墨烯的薄层电阻值，从而用含氮有机化合物掺杂石墨烯。另外，确认也可以通过同时去除金属催化剂并掺杂石墨烯来降低石墨烯的薄层电阻值。
参照表2，确认在包括含氮有机化合物、氧化剂和酸的位置，石墨烯的降低的薄层电阻值可以长时间保持。
产业上的可利用性
如上所述，根据一个或更多个上面的示例性实施例，可以提供具有低的薄层电阻值和低的薄层电阻值的长的保持时间的石墨烯。

Claims (20)

1.一种包括含氮有机化合物的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的石墨烯，其中，所述含氮有机化合物是从取代或非取代的C2-C60杂芳基中选择的至少一种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯，其中，所述含氮有机化合物是从取代或非取代的吡咯、取代或非取代的咪唑、取代或非取代的吡唑、取代或非取代的吡啶、取代或非取代的吡嗪、取代或非取代的嘧啶、取代或非取代的哒嗪、取代或非取代的吲哚、取代或非取代的喹啉、取代或非取代的苯并喹啉、取代或非取代的苯并咪唑、取代或非取代的三嗪以及取代或非取代的咔唑中选择的至少一种。
4.根据权利要求1所述的石墨烯，其中，所述含氮有机化合物是从以下物质中选择的至少一种：吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑；以及均取代有氘、卤素原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基中的至少一者的吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑。
5.根据权利要求1所述的石墨烯，其中，所述含氮有机化合物是从咪唑和苯并咪唑以及均取代有氘、甲基和乙基中的至少一者的咪唑和苯并咪唑中选择的至少一种。
6.一种用于制备石墨烯的组合物，所述组合物包括：
含氮有机化合物；
氧化剂；以及
酸。
7.根据权利要求6所述的组合物，其中，所述含氮有机化合物是从取代或非取代的C2-C60杂芳基中选择的至少一种。
8.根据权利要求6所述的组合物，其中，所述含氮有机化合物是从取代或非取代的吡咯、取代或非取代的咪唑、取代或非取代的吡唑、取代或非取代的吡啶、取代或非取代的吡嗪、取代或非取代的嘧啶、取代或非取代的哒嗪、取代或非取代的吲哚、取代或非取代的喹啉、取代或非取代的苯并喹啉、取代或非取代的苯并咪唑、取代或非取代的三嗪以及取代或非取代的咔唑中选择的至少一种。
9.根据权利要求6所述的组合物，其中，所述含氮有机化合物是从以下物质中选择的至少一种：吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑；以及均取代有氘、卤素原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基中的至少一者的吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲哚、喹啉、苯并喹啉、苯并咪唑、三嗪和咔唑。
10.根据权利要求6所述的组合物，其中，所述含氮有机化合物是从咪唑和苯并咪唑以及均取代有氘、甲基和乙基中的至少一者的咪唑和苯并咪唑中选择的至少一种。
11.根据权利要求6所述的组合物，其中，所述氧化剂是从H2O2、(NH4)S2O8、HClO和HClO4中选择的至少一种。
12.根据权利要求6所述的组合物，其中，所述酸是从H2SO4、HNO3、H3PO4、HCl和CH3COOH中选择的至少一种。
13.根据权利要求6所述的组合物，其中，所述组合物包括0.2wt％至10wt％的含氮有机化合物、1wt％至10wt％的氧化剂、2wt％至30wt％的酸以及平衡溶剂。
14.一种制备石墨烯的方法，所述方法包括：
使用用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯，以获得掺杂的石墨烯，所述用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将载体膜与石墨烯的一侧结合；
(b)使用用于制备石墨烯的组合物来掺杂石墨烯与所述载体膜的层叠件，以获得掺杂的石墨烯，所述用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸；以及
(c)将所述掺杂的石墨烯转移到靶膜上。
16.根据权利要求14所述的方法，所述方法包括：
将靶膜与所述石墨烯的一侧结合，然后使用所述用于制备石墨烯的组合物来掺杂所述石墨烯与所述靶膜的层叠件，以获得掺杂的石墨烯。
17.一种制备石墨烯的方法，所述方法包括：
在金属催化剂的至少一侧上形成石墨烯；
使用用于制备石墨烯的组合物同时去除金属催化剂并掺杂所述石墨烯，以获得掺杂的石墨烯，所述用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：
在金属催化剂的至少一侧上形成所述石墨烯，然后在所述石墨烯的没有形成金属催化剂的一侧上形成载体膜。
19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：
使用用于制备石墨烯的组合物同时去除金属催化剂并掺杂所述石墨烯，以获得掺杂的石墨烯，将所述掺杂的石墨烯转移到靶膜上。
20.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)在金属催化剂的至少一侧上形成石墨烯；
(b)在所述石墨烯的没有形成所述金属催化剂的一侧上形成载体膜；
(c)使用用于制备石墨烯的组合物同时去除金属催化剂并掺杂所述石墨烯，以获得掺杂的石墨烯，所述用于制备石墨烯的组合物包括含氮有机化合物、氧化剂和酸；以及
(d)将所述掺杂的石墨烯转移到靶膜上。
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