CN106587023B - 半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法 - Google Patents

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Abstract

半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法，涉及半导体型硫掺杂石墨烯薄膜的制备方法，尤其是使用廉价的乙二醇和硫酸为原料，使用工艺简单的液相化学反应法制成溶液然后旋涂再高温退火处理得到光电性能良好的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法。本发明的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法，其特征在于该制备方法采用乙二醇和硫酸按一定摩尔比反应生成后的溶液经旋涂退火后一次性生成硫掺杂石墨烯薄膜，包括液相化学反应、旋涂和退火三个步骤。本发明通过硫掺杂的方式，调制了石墨烯薄膜的能级，有效地改变了石墨烯薄膜的性能，从而使本发明制备得的硫掺杂石墨烯薄膜具有更优良的光电及发光调制性能，可用于光电探测器领域。

Description

半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法
技术领域
本发明涉及半导体型硫掺杂石墨烯薄膜的制备方法，尤其是使用廉价的乙二醇和硫酸为原料，使用工艺简单的液相化学反应法制成溶液然后旋涂再高温退火处理得到光电性能良好的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法。
背景技术
掺杂型石墨烯薄膜，除继承了石墨烯水溶性好、表面积大、载流子迁移速率高、机械柔韧性好及光学性能稳定等诸多优良性能之外由于其还具有显著的量子局限效应和边缘效应，拥有特殊的光学性质、电子特性、自旋性质等从而近年来受到人们的广泛关注和研究。石墨烯薄膜制备技术多样，其中主要包括纳米刻蚀法、水热法、电化学法、氧化石墨烯还原技术等。
目前，石墨烯薄膜尚未在光电子领域广泛的应用原因是批量生产石墨烯薄膜技术不够成熟，最主要原因是缺少能够有效调制石墨烯薄膜的能级结构和光学性质的手段。目前，合成石墨烯薄膜和掺杂型石墨烯薄膜都采用高真空、等离子、高温等合成技术，这不仅耗材且步骤繁琐，不适合批量生产。
欲把石墨烯的运用从电子领域扩展到光电子领域就需要调制石墨烯的能级、光学性质、电学性质。由于石墨烯具有更好的表面嫁接性，可以通过π-π共轭结合掺入较多的官能团，而通过掺杂可以掺入不同官能团既而有效调制石墨烯的能级结构、光学性质、电学性质。
欲要大批量生产石墨烯薄膜材料，就必须从成本低、工艺技术简单环保、具有批量生产力等制备方法入手。显然，液相化学反应法制备石墨烯前驱体经旋涂退火成膜不仅具备设备和工艺过程简单、反应一次性完成等特点而且合成速度快、产量高。
发明内容
本发明所要解决的就是现有石墨烯薄膜或掺杂型石墨烯薄膜合成技术不仅耗材且步骤繁琐，不适合批量生产的问题，提供一种通过异质硫原子的掺杂，来有效的调制石墨烯薄膜的能级，使石墨烯薄膜的光电性能得到优化的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法。
本发明的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法，其特征在于该制备方法采用乙二醇和硫酸按一定摩尔比反应生成后的溶液经旋涂退火后一次性生成硫掺杂石墨烯薄膜，包括液相化学反应、旋涂和退火三个步骤，具体如下：
1）液相化学反应：取30 ml乙二醇和6 ml硫酸，置于100 ml烧杯中，用机械搅拌器搅拌同时在加热板上加热，设置加热板温度为200℃，直至混合均匀的溶液变为棕色且不再继续变色为止；对棕色溶液进行过滤，将溶液中的黑色碳化沉淀除去，保留均匀棕色清夜装于棕色样品瓶中留待备用；
2）旋涂：将步骤1）中掺硫的石墨烯前驱体溶液用一次性滴管取适量滴在处理过的石英片上，将其在转速设置为1250～2500/ min的匀胶机上进行旋涂；
3）退火：将旋涂在石英片衬底上的薄膜置于80℃下烘烤20 min,然后在650℃下退火3小时，即可得到导体型硫掺杂石墨烯薄膜。
所述的石英片处理方法是将石英片放入以氨水:双氧水:去离子水体积比为1:1:2的40ml的混合溶液中，并在温度为80℃的加热板上加热30 min，将加热后的石英片取出，用去离子水冲洗并吹干，使石英片表面光滑，不存在水迹。
本发明的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法，通过硫掺杂的方式，调制了石墨烯薄膜的能级，有效地改变了石墨烯薄膜的性能，从而使本发明制备得的硫掺杂石墨烯薄膜具有更优良的光电及发光调制性能，可用于光电探测器领域。除此以外，本发明还具有以下效果及优点：
1、整体技术路线创新、反应一次性完成、具有设备和工艺过程简单、简约能源、速度快和产量高等特点。液相化学反应法制得的棕色均匀溶液，再经过旋涂和退火即可成功制备出硫掺杂石墨烯薄膜；
2、此方法制备半导体型硫掺杂石墨烯薄膜操作可行，制备得到的硫掺杂石墨烯薄膜具有优异的光电性能，通过掺杂的方式，调制了石墨烯的能级，有效地改良了石墨烯薄膜的性能；
3、由于液相化学反应法可以根据生产规模放大，所以适合批量生产。
附图说明
图1为硫掺杂石墨烯薄膜的拉曼图（Raman）。
图2为硫掺杂石墨烯薄膜的傅里叶红外光谱(FT-IR)。
图3为硫掺杂石墨烯薄膜的紫外可见光谱(UV-Vis)。
图4为硫掺杂石墨烯薄膜的光致发光发射谱(PL)。
图5为硫掺杂石墨烯薄膜的X射线光电子能谱（XPS）。
图6为硫掺杂石墨烯薄膜的原子力显微镜图(AFM)。
具体实施方式
实施例1：一种半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法，采用乙二醇和硫酸按一定摩尔比反应生成后的溶液经旋涂退火后一次性生成硫掺杂石墨烯薄膜，包括液相化学反应、旋涂和退火三个步骤，具体如下：
1）液相化学反应：取30 ml乙二醇和6 ml硫酸，置于100 ml烧杯中，用机械搅拌器搅拌同时在加热板上加热，设置加热板温度为200℃，直至混合均匀的溶液变为棕色且不再继续变色为止；对棕色溶液进行过滤，将溶液中的黑色碳化沉淀除去，保留均匀棕色清夜装于棕色样品瓶中留待备用；
2）旋涂：将步骤1）中掺硫的石墨烯前驱体溶液用一次性滴管取适量滴在处理过的石英片上，将将其在转速设置为1250～2500/ min的匀胶机上进行旋涂；
3）退火：将旋涂在石英片衬底上的薄膜置于80℃下烘烤20 min,然后在650℃下退火3小时，即可得到导体型硫掺杂石墨烯薄膜。
石英片处理方法是将石英片放入以氨水:双氧水:去离子水体积比为1:1:2的40ml的混合溶液中，并在温度为80℃的加热板上加热30 min，将加热后的石英片取出，用去离子水冲洗并吹干，使石英片表面光滑，不存在水迹。
如图1所示，液相化学反应法得到的硫掺杂石墨烯前驱体在硅片衬底上经旋涂和退火后得到的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜的拉曼图，明显可以看到G峰、D峰和2D峰。
如图2所示，液相化学反应法得到的硫掺杂石墨烯前驱体在石英衬底上经旋涂和退火后得到的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜的傅里叶红外吸收光谱，明显可以看到C=C,C-S,C-H等化学键的振动峰。
如图3所示，液相化学反应法得到的硫掺杂石墨烯前驱体在石英衬底上经旋涂和退火后得到的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜的紫外可见光吸收光谱，可以看到有明显的紫外吸收峰。
如图4所示，液相化学反应法得到的硫掺杂石墨烯前驱体在石英衬底上经旋涂和退火后得到的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜的光致发光发射谱，可以看到有良好的光学性质。
如图5所示，液相化学反应法得到的硫掺杂石墨烯前驱体在石英衬底上经旋涂和退火后得到半导体型硫掺杂石墨烯薄膜的X射线光电子能谱,对其中的碳峰分峰。
如图6所示，液相化学反应法得到的硫掺杂石墨烯前驱体在石英衬底上经旋涂和退火后得到的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜的原子力显微镜图，可以看出此薄膜粗糙度较小。

Claims (2)

1.一种半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法，其特征在于该制备方法采用乙二醇和硫酸按一定摩尔比反应生成后的溶液经旋涂退火后一次性生成硫掺杂石墨烯薄膜，包括液相化学反应、旋涂和退火三个步骤，具体如下：
1）液相化学反应：取30 ml乙二醇和6 ml硫酸，置于100 ml烧杯中，用机械搅拌器搅拌同时在加热板上加热，设置加热板温度为200℃，直至混合均匀的溶液变为棕色且不再继续变色为止；对棕色溶液进行过滤，将溶液中的黑色碳化沉淀除去，保留均匀棕色清液装于棕色样品瓶中留待备用；
2）旋涂：将步骤1）中掺硫的石墨烯前驱体溶液用一次性滴管取适量滴在处理过的石英片上，将其在转速设置为1250～2500/ min的匀胶机上进行旋涂；
3）退火：将旋涂在石英片衬底上的薄膜置于80℃下烘烤20 min,然后在650℃下退火3小时，即可得到半导体型硫掺杂石墨烯薄膜。
2.如权利要求1所述的半导体型硫掺杂石墨烯薄膜制备方法，其特征在于所述的石英片处理方法是将石英片放入以氨水:双氧水:去离子水体积比为1:1:2的40ml的混合溶液中，并在温度为80℃的加热板上加热30 min，将加热后的石英片取出，用去离子水冲洗并吹干，使石英片表面光滑，不存在水迹。
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