CN106927452A - 一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置 - Google Patents
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Abstract
一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置，涉及石墨烯。设有电纺直写前驱体平台、激光诱导石墨烯化平台和接收沉积石墨烯平台；所述电纺直写前驱体平台设有注射泵、注射器、直流电源；激光诱导石墨烯化平台设有CO2激光器和惰性气体保护系统；接收沉积石墨烯平台设有收集板和二维运动平台；所述注射器与注射泵连接，直流电源为注射器供电，CO2激光器的光束聚焦在注射器的泰勒锥射流出口上，收集板设在二维运动平台上并位于注射器的泰勒锥射流出口下方，惰性气体保护系统为接收沉积石墨烯平台提供惰性气体保护。具有可连续制造、成本低、环境及设备要求低等优势。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯，尤其是涉及一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置。
背景技术
自2004年石墨烯(graphene)这一材料被发现以来,有关研究和新闻就未曾间断。石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种炭质新材料,这种石墨烯晶体薄膜的厚度只有0.335nm,仅为头发直径的20万分之一,是目前已知世界上强度最高的材料,具有热、力、电等优异的性能。石墨烯的制备大体可分为物理方法(液相剥离法、机械剥离法)和化学方法(CVD、SiC外延生长等)。其中化学方法研究得较早,主要是以苯环或其他芳香体系为核,通过偶联反应使苯环上6个碳均被取代,然后相邻取代基之间脱氢形成新的芳香环,如此进行多步反应使芳香体系变大,但该方法工艺复杂，制造成本较高；物理方法主要以石墨为原料来合成,不仅原料便宜易得,而且可得到较大平面结构的石墨烯,但是成型的石墨烯品质较低。化学方法如化学气相沉积是反应物质在高温、气态条件下发生化学反应,生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而制得固体材料的工艺技术。Dato等(Dato A,RadmilovicV,Lee Z,et al.Substrate-free gas-phase synthesis ofgraphene sheets.Nano letters,2008,8(7):2012-2016.)报道了一种新型等离子体增强化学气相沉积法,乙醇液滴作为碳源,利用Ar等离子体合成石墨烯,极大地缩短了反应时间，但是CVD生长需要高温真空环境，对于制造成本要求较高。Coleman等(Hernandez Y,Nicolosi V,Lotya M,et al.High-yield production of graphene by liquid-phaseexfoliation of graphite.Nature nanotechnology,2008,3(9):563-568.)报道的液相剥离法以石墨为原料,将其分散在有机溶剂中,当溶剂的表面能与石墨烯相当时,在超声的作用下，利用流体的剪切力逐层平衡剥离石墨所需的能量,最终得到石墨烯。虽然该方法能得到单层或者多层的石墨烯,但合成产率不高。王士虎等(Wang S.The fast fabrication offlexible electronic devices of graphene composites.[J].Nanotechnology,2016,27(31):31LT01.)基于韦森堡效应一步式制备图案化的石墨烯，但获得石墨烯含量较低，而且和其他聚合物混合一体。石墨烯制造的研究虽已取得初步成效,但石墨烯的连续图案化制造仍需进一步研究，实现工艺简单低成本和环境要求制造，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的石墨烯制造成本高、工艺复杂等缺陷，提供一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置。
本发明设有电纺直写前驱体平台、激光诱导石墨烯化平台和接收沉积石墨烯平台；所述电纺直写前驱体平台设有注射泵、注射器、直流电源；激光诱导石墨烯化平台设有CO2激光器和惰性气体保护系统；接收沉积石墨烯平台设有收集板和二维运动平台；所述注射器与注射泵连接，直流电源为注射器供电，CO2激光器的光束聚焦在注射器的泰勒锥射流出口上，收集板设在二维运动平台上并位于注射器的泰勒锥射流出口下方，惰性气体保护系统为接收沉积石墨烯平台提供惰性气体保护。
所述注射泵可采用精密注射泵。
所述直流电源可采用直流高压电源。所述惰性气体可采用氮气等。
所述CO2激光器的波长可采用10.6μm。
本发明完成一种直写均苯型高聚物溶液并通过激光在线诱导溶液石墨烯化，即将该溶液为工作前驱体，存储在电纺直写的注射器中，强电场作用下将高聚物油墨从流道出口拉伸形成微米级的泰勒锥射流，同时将激光光束聚焦在泰勒锥射流上。激光以其光子作用和热效应在高频脉冲作用下破坏聚酰亚胺本体的C-N、C-O以及完成脱氢反应，形成具有共轭腈基的苯环型化合物，石墨烯化是利用热活化使热力学不稳定的碳原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化，分子重组使得六角碳网层逐渐形成并生长，最终石墨烯在电场力的作用下沉积在运动平台的接收板上，实现图案化制造。该方法具有可连续制造、成本低、环境及设备要求低等优势。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
具体实施方式
为了实现上述目的，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明实施例设有电纺直写前驱体平台、激光诱导石墨烯化平台和接收沉积石墨烯平台；所述电纺直写前驱体平台设有注射泵1、注射器2、直流电源3；激光诱导石墨烯化平台设有CO2激光器4和惰性气体保护系统5；接收沉积石墨烯平台设有收集板6和二维运动平台7；所述注射器2与注射泵1连接，直流电源3为注射器2供电，CO2激光器4的光束聚焦在注射器2的泰勒锥射流出口8上，收集板6设在二维运动平台7上并位于注射器2的泰勒锥射流出口8下方，惰性气体保护系统5为接收沉积石墨烯平台提供惰性气体保护。
所述注射泵1采用精密注射泵。
所述直流电源3采用直流高压电源，电压<10kV。所述惰性气体采用氮气等。
所述CO2激光器4的波长采用10.6μm。
在图1中，标记9为图案化石墨烯。
本发明实施例是以分子量30万、浓度为20％的聚酰亚胺(Polyimide)油墨作为工作流体，直流电源3的正极与注射器2针头相连(针头尺寸为：1～500μm)，针尖与收集板6之间的接收距离为：10μm～5mm，采用精密注射泵1进行溶液的供给(供液塑速率为：10～500μh/H)当墨水所受电场力超过其表面张力时，形成微米级的泰勒锥射流,将CO2激光器4光束聚焦在泰勒锥射流上，CO2激光器4的工作参数包括功率：1～30W，脉冲频率：1～1000Hz；占空比：1％～100％。高频脉冲激光通过光子作用和热效应破坏聚酰亚胺本体的C-N、C-O以及完成脱氢反应，形成具有共轭腈基的苯环型化合物，石墨烯化是利用热活化能使热力学不稳定的碳原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化，分子重组使得六角碳网层逐渐形成并生长，最终石墨烯图案化沉积在运动平台的接收板上。
与现有技术相比，本发明具有环境要求低、工艺简单、制造成本低、可实现连续制造等优点。
本发明以均苯型高聚物溶液为工作流体，通过电纺直写的方式，在高压电场的作用下将高聚物油墨从流道出口拉伸形成微米级的泰勒锥射流，然后将激光光束聚焦在射流上。激光以其光子作用和热效应在高频脉冲作用下破坏聚酰亚胺本体的碳原子实现由乱层结构向石墨晶体结构有序转化，分子重组形成使得六角碳网层逐渐形成并生长，生成的石墨烯在电场力的作用下沉积在运动平台接收板上，获得任意结构的石墨烯图案。
Claims (5)
1.一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置，其特征在于设有电纺直写前驱体平台、激光诱导石墨烯化平台和接收沉积石墨烯平台；所述电纺直写前驱体平台设有注射泵、注射器、直流电源；激光诱导石墨烯化平台设有CO2激光器和惰性气体保护系统；接收沉积石墨烯平台设有收集板和二维运动平台；所述注射器与注射泵连接，直流电源为注射器供电，CO2激光器的光束聚焦在注射器的泰勒锥射流出口上，收集板设在二维运动平台上并位于注射器的泰勒锥射流出口下方，惰性气体保护系统为接收沉积石墨烯平台提供惰性气体保护。
2.如权利要求1所述一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置，其特征在于所述注射泵采用精密注射泵。
3.如权利要求1所述一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置，其特征在于所述直流电源采用直流高压电源。
4.如权利要求1所述一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置，其特征在于所述惰性气体采用氮气。
5.如权利要求1所述一种激光诱导沉积制造图案化石墨烯的装置，其特征在于所述CO2激光器的波长采用10.6μm。
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