CN108609614A - 一种蓝、紫荧光单层氮掺杂石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓝、紫荧光单层氮掺杂石墨烯的制备方法，包括下列步骤：采用单根石英管配合管式炉，将一定质量的密胺置于管式炉第一温区；将铜基底置于管式炉炉第二温区；在氩气和氢气气氛下加热第二温区对铜基体进行退火处理；在氩气、氢气气氛下，将铜基底降至反应温度，将密胺加热到升华温度；通入氢气、甲烷、氩气的混合气；将铜基底降至室温，得到氮掺杂石墨烯材料。采用本发明的方法可以得到成膜均匀、面积较大的氮掺杂石墨烯薄膜。

Description

一种蓝、紫荧光单层氮掺杂石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种二维氮掺杂石墨烯的制备方法，属于碳材料制备领域。
背景技术
自2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家发现单层石墨烯，并获得了2010年诺贝尔奖，这种新型碳材料一直是材料学和物理学领域的研究热点。在石墨烯的制备方法中，化学气相沉积法(CVD)是制备大面积、高质量石墨烯最有前景的方法。
与此同时，氮掺杂石墨烯由于具有独特的电子、光学特性，也被广泛研究。在石墨烯的荧光发光领域，相关研究都是通过将氧化石墨烯还原，后掺氮进行制备与表征的。而通过采用化学气相沉积法进行石墨烯的制备，并且进行荧光发光相关研究，未见报导。通过化学气相沉积法得到的样品，具有更好的均匀性与稳定性，更大的面积，在荧光发光领域具有很好的研究价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维氮掺杂石墨烯的制备方法，在化学气相沉积法下制备得到成膜均匀、面积较大的氮掺杂石墨烯薄膜。本发明的技术方案如下：
一种蓝、紫荧光单层氮掺杂石墨烯的制备方法，包括下列步骤：
(1)采用单根石英管配合管式炉，将一定质量的密胺置于管式炉第一温区；将铜基底置于管式炉炉第二温区；
(2)在氩气和氢气气氛下加热第二温区对铜基体进行退火处理；
(3)在氩气、氢气气氛下，将铜基底降至反应温度，将密胺加热到升华温度；
(4)通入氢气、甲烷、氩气的混合气；
(5)将铜基底降至室温，得到氮掺杂石墨烯材料。
优选地，置于管式炉第一温区内的密胺的质量按照管式炉的容积计算，为0.87到8.7g/m3。
(2)中，铜基底的退火温度为1030℃，氩气用量为300sccm，氢气用量为100sccm，退火时间为30分钟以上。(3)中，反应温度为900-1000℃；(4)中，通入氢气、甲烷、氩气的流量比为20：1：1000。
本发明在高温下使铜片退火，从而使铜基底表面更加平整。在高温条件下，密胺挥发气、甲烷在铜片表面进行裂解，并在铜的催化作用下，沉积在铜基底表面，组装得到二维氮掺杂石墨烯材料。通过提高反应温度，改变二维氮掺杂石墨烯中氮原子的掺杂形式；通过改变密胺质量，变二维氮掺杂石墨烯中氮原子的掺杂形式。该方法制备得到的石墨烯具有单层特性，操作简单，重复性好，该材料在光发射、生物荧光标定、有机发光二极管及固态光电器件方面存在巨大的潜在应用。
附图说明：
图1为实施实例1中得到的氮掺杂石墨烯材料的光学照片；
图2为实施实例2中得到的氮掺杂石墨烯的拉曼图谱；
图3为实施实例1、3中得到的氮掺杂石墨烯的荧光光谱图。
具体实施方式
本发明的蓝、紫荧光单层氮掺杂石墨烯的制备方法，技术路线如下：将一定质量的密胺置于管式炉第一温区中心位置，将铜基底置于管式炉第二温区中心位置，通入氢气、氩气，将第二温区升温后对铜箔进行常压退火。后缓慢将第一温区温度升至密胺的升华温度，通入氩气、甲烷、氢气，20分钟后将铜基底快速降至室温，得到氮掺杂石墨烯。置于管式炉第一温区内的密胺的质量可以按照管式炉的容积计算，为0.87到8.7g/m3。
下面给出本发明的具体实施例，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1：
本例采用的装置是安徽贝意克设备技术有限公司生产的BTF-1200C-S-SSL-PECVD型管式炉。石英管外直径为50毫米，内直径为44毫米。
(1)将0.01g(按照管式炉的容积计算，为0.87g/m3)密胺放置于管式炉前一加热区，铜箔放入管式炉后一加热区，然后设置升温程序，首先通入500sccm的氩气20min左右将管式炉内的空气排净，然后在氩气300sccm和氢气100sccm的条件下开始升温至1030℃，保持30min，目的是刻蚀铜箔表面的氧化物，防止其影响气体碳源与铜箔的接触，然后温度降至900℃。
(2)将第一温区升至350℃，此时开始气流量1sccm通入甲烷，1000sccm通入氩气，20sccm通入氢气。保持这个温度20min，然后在氩气气流量300sccm条件下，将铜箔快速降至室温，得到大面积石墨烯薄膜。
该实施例中样品转移到硅片上，光学照片如图1所示，从图中可以看出，制备得到的氮掺杂石墨烯成膜均匀，具有少层与单层的结构。该样品的荧光光谱图如图3中(1)所示，该样品在461nm处激发强度最大。
实施例2：
(1)将0.1g密胺放置于管式炉前一加热区，铜箔放入管式炉后一加热区，然后设置升温程序，首先通入500sccm的氩气20min左右将管式炉内的空气排净，然后在氩气300sccm和氢气100sccm的条件下开始升温至1030℃，保持30min，目的是刻蚀铜箔表面的氧化物，防止其影响气体碳源与铜箔的接触，然后温度降至1000℃。
(2)将第一温区升至350℃，此时开始气流量1sccm通入甲烷，1000sccm通入氩气，20sccm通入氢气。保持这个温度20min，然后在氩气气流量300sccm条件下，将铜箔快速降至室温，得到大面积石墨烯薄膜。
该实施例中样品的拉曼图如图2所示，由图可以看出，与未掺杂的石墨烯(PG)相比，该样品(NG)的2D峰向左偏移，G峰向右偏移，并且出现了缺陷峰D峰，这说明氮原子在样品中实现了较好的掺杂。同时，2D峰的峰强与G峰的峰强比大于1，这说明样品是单层的。
实施例3：
(1)将0.05g密胺放置于管式炉前一加热区，铜箔放入管式炉后一加热区，然后设置升温程序，首先通入500sccm的氩气20min左右将管式炉内的空气排净，然后在氩气300sccm和氢气100sccm的条件下开始升温至1030℃，保持30min，目的是刻蚀铜箔表面的氧化物，防止其影响气体碳源与铜箔的接触，然后温度降至950℃。
(2)将第一温区升至350℃，此时开始气流量1sccm通入甲烷，1000sccm通入氩气，20sccm通入氢气。保持这个温度20min，然后在氩气气流量300sccm条件下，将铜箔快速降至室温，得到大面积石墨烯薄膜。
该实施例中样品的荧光光谱图如图3中(2)所示，由图可以看出，与实施例1(图中(1))相比，该样品的荧光峰位向左偏移了25nm，这可能是氮原子在样品中不同掺杂形式导致的。

Claims (5)

1.一种蓝、紫荧光单层氮掺杂石墨烯的制备方法，包括下列步骤：
(1)采用单根石英管配合管式炉，将一定质量的密胺置于管式炉第一温区；将铜基底置于管式炉炉第二温区。
(2)在氩气和氢气气氛下加热第二温区对铜基体进行退火处理；
(3)在氩气、氢气气氛下，将铜基底降至反应温度，将密胺加热到升华温度；
(4)通入氢气、甲烷、氩气的混合气；
(5)将铜基底降至室温，得到氮掺杂石墨烯材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在，置于管式炉第一温区内的密胺的质量按照管式炉的容积计算，为0.87到8.7g/m3。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(2)中，铜基底的退火温度为1030℃，氩气用量为300sccm，氢气用量为100sccm，退火时间为30分钟以上。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(3)中，反应温度为900-1000℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(4)中，通入氢气、甲烷、氩气的流量比为20：1：1000。
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