CN112694084A - 一种石墨烯纳米带器件阵列及其制备系统和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机纳米材料技术领域，公开了一种石墨烯纳米带器件阵列及其制备系统和制备方法，所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统包括：基底晶体种子形成模块、反应前躯体制备模块、中央控制模块、石墨烯纳米阵列制备模块、器件陈列合成模块、清洗浸润模块、分离干燥模块、更新显示模块。本发明提供的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，借助晶种导向技术在生长基底表面形成晶种层，其中采用还原氧化石墨烯这种导电性、化学敏感性及稳定性优异的材料作为生长基底，通过调控晶种性质诱导水热体系晶体定向生长，制备得到的石墨烯纳米带器件阵列具有较大的比表面积、较强的化学敏感性和较丰富的电子传输通道，应用广泛。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯纳米带器件阵列及其制备系统和制备方法。
背景技术
目前，随着器件尺寸微型化和集成化的发展趋势，基于一维压电纳米材料的能量收集器件受到了人们的广泛关注，其可通过采集环境中微小的机械振动能并将其转换成电能对微纳传感系统进行供电，发展自驱动的微纳系统。
纳米材料的结构很大程度上影响材料的物理化学性质，而其几何形态和理化属性从根本上决定了其实际应用领域。随着材料维度的降低和结构特征尺寸的减小，一维纳米材料(纳米棒、纳米线和纳米管等)因呈现出新奇独特的光、电、磁和热等物理化学特性，在光学、电子学、磁学、催化及传感器等领域应用广泛。近年来，一维纳米材料成为人们的研究热点之一，其制备方法也是多种多样。然而现有一维纳米材料取向随意、排列无序，以致不能发挥其优势构建纳米器件。因此，亟需一种新的纳米带器件陈列及其制备方法。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有一维纳米材料取向随意、排列无序，以致不能发挥其优势构建纳米器件。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种石墨烯纳米带器件阵列及其制备系统和制备方法。
本发明是这样实现的，一种石墨烯纳米带器件阵列的制备系统，所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统包括：
基底晶体种子形成模块、反应前躯体制备模块、中央控制模块、石墨烯纳米阵列制备模块、器件陈列合成模块、清洗浸润模块、分离干燥模块、更新显示模块。
基底晶体种子形成模块，与中央控制模块连接，用于在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子；
反应前躯体制备模块，与中央控制模块连接，用于将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体；
中央控制模块，与基底晶体种子形成模块、反应前躯体制备模块、石墨烯纳米阵列制备模块、器件陈列合成模块、清洗浸润模块、分离干燥模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统各个模块的正常运行；
石墨烯纳米阵列制备模块，与中央控制模块连接，用于将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列；
器件陈列合成模块，与中央控制模块连接，用于通过标准直流磁控溅射技术将制备得到的石墨烯纳米阵列与器件合成，制备得到石墨烯纳米带器件阵列；
清洗浸润模块，与中央控制模块连接，用于通过清洗设备利用去离子水和无水乙醇对得到的石墨烯纳米带器件阵列反复清洗、浸润；
分离干燥模块，与中央控制模块连接，用于将清洗浸润后的石墨烯纳米带器件阵列分离后，置于真空干燥箱，于60～85℃下干燥3～5h；
更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统的数据进行实时更新显示。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备系统的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，所述石墨烯纳米带器件阵列的制备方法包括以下步骤：
步骤一，通过基底晶体种子形成模块在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子；通过反应前躯体制备模块将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体；
步骤二，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统各个模块的正常运行；
步骤三，通过石墨烯纳米阵列制备模块将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列；
步骤四，通过器件陈列合成模块利用标准直流磁控溅射技术将制备得到的石墨烯纳米阵列与器件合成，制备得到石墨烯纳米带器件阵列；
步骤五，通过清洗浸润模块利用清洗设备利用去离子水和无水乙醇对得到的石墨烯纳米带器件阵列反复清洗、浸润；
步骤六，通过分离干燥模块将清洗浸润后的石墨烯纳米带器件阵列分离后，置于真空干燥箱，于60～85℃下干燥3～5h；
步骤七，通过更新显示模块利用显示器对所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统的数据进行实时更新显示。
进一步，步骤一中，所述通过后基底晶体种子形成模块在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子的方法，包括：
(1)将微量氧化石墨烯分散于一定体积的去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20～50min后，在一定工作频率下超声4～8h；
(2)以Na2SnO3·4H2O为锡源，用天平称取一定量的Na2SnO3·4H2O溶解在上述氧化石墨烯的水溶液中，搅拌10～14h，在80～120℃下干燥形成晶体种子。
进一步，所述分散处理的工作频率为50～55赫兹，所述Na2SnO3·4H2O溶液的摩尔浓度为0.15～0.65mol/L。
进一步，步骤二中，所述通过反应前躯体制备模块将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体的方法，包括：
(1)将带有晶种的还原氧化石墨烯片分散于去离子水中，搅拌30～60min；将NaOH溶解在去离子水中，磁力搅拌，陈化6～12h后形成均一透明溶液A；
(2)按照与溶液A的体积比为1:1的体积量取无水乙醇，以0.2～1mL/s的滴加速度滴加到溶液A中，混合搅拌，陈化静置1～3h，得混合溶液B；
(3)向混合溶液B中加入封端剂和粘结剂，搅拌30～60min，混合均匀，制备得到反应前躯体。
进一步，所述封端剂为硝酸钠、氯化钠、酒石酸钠或柠檬酸钠中的任意一种；所述粘结剂为聚乙二醇PEG、聚吡咯烷酮PVP、聚乙烯醇PVA、葡萄糖或正丁醇中的任意一种。
进一步，步骤三中，所述通过石墨烯纳米阵列制备模块将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列的方法，包括：
(1)将制备得到的反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，导电玻璃的导电面朝下，倾斜放置于反应釜中；
(2)将反应釜置于烘箱中，在180～220℃的温度下恒温反应12～36h，反应结束后自然冷却至室温，即得石墨烯纳米阵列。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法制备得到的石墨烯纳米带器件阵列，所述石墨烯纳米带器件阵列的基底的直径为5～10nm，厚度为120～150nm。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，借助晶种导向技术在生长基底表面形成晶种层，其中采用还原氧化石墨烯这种导电性、化学敏感性及稳定性优异的材料作为生长基底，通过调控晶种性质诱导水热体系晶体定向生长，制备得到的石墨烯纳米带器件阵列具有较大的比表面积、较强的化学敏感性和较丰富的电子传输通道，应用广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的石墨烯纳米带器件阵列的制备系统结构框图；
图中：1、基底晶体种子形成模块；2、反应前躯体制备模块；3、中央控制模块；4、石墨烯纳米阵列制备模块；5、器件陈列合成模块；6、清洗浸润模块；7、分离干燥模块；8、更新显示模块。
图2是本发明实施例提供的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法流程图。
图3是本发明实施例提供的通过后基底晶体种子形成模块在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子的方法流程图。
图4是本发明实施例提供的通过反应前躯体制备模块将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体的方法流程图。
图5是本发明实施例提供的通过石墨烯纳米阵列制备模块将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种石墨烯纳米带器件阵列及其制备系统和制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的石墨烯纳米带器件阵列的制备系统包括：基底晶体种子形成模块1、反应前躯体制备模块2、中央控制模块3、石墨烯纳米阵列制备模块4、器件陈列合成模块5、清洗浸润模块6、分离干燥模块7、更新显示模块8。
基底晶体种子形成模块1，与中央控制模块3连接，用于在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子；
反应前躯体制备模块2，与中央控制模块3连接，用于将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体；
中央控制模块3，与基底晶体种子形成模块1、反应前躯体制备模块2、石墨烯纳米阵列制备模块4、器件陈列合成模块5、清洗浸润模块6、分离干燥模块7、更新显示模块8连接，用于通过中央处理器协调控制所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统各个模块的正常运行；
石墨烯纳米阵列制备模块4，与中央控制模块3连接，用于将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列；
器件陈列合成模块5，与中央控制模块3连接，用于通过标准直流磁控溅射技术将制备得到的石墨烯纳米阵列与器件合成，制备得到石墨烯纳米带器件阵列；
清洗浸润模块6，与中央控制模块3连接，用于通过清洗设备利用去离子水和无水乙醇对得到的石墨烯纳米带器件阵列反复清洗、浸润；
分离干燥模块7，与中央控制模块3连接，用于将清洗浸润后的石墨烯纳米带器件阵列分离后，置于真空干燥箱，于60～85℃下干燥3～5h；
更新显示模块8，与中央控制模块3连接，用于通过显示器对所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统的数据进行实时更新显示。
如图2所示，本发明实施例提供的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法包括以下步骤：
S101，通过基底晶体种子形成模块在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子；通过反应前躯体制备模块将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体；
S102，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统各个模块的正常运行；
S103，通过石墨烯纳米阵列制备模块将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列；
S104，通过器件陈列合成模块利用标准直流磁控溅射技术将制备得到的石墨烯纳米阵列与器件合成，制备得到石墨烯纳米带器件阵列；
S105，通过清洗浸润模块利用清洗设备利用去离子水和无水乙醇对得到的石墨烯纳米带器件阵列反复清洗、浸润；
S106，通过分离干燥模块将清洗浸润后的石墨烯纳米带器件阵列分离后，置于真空干燥箱，于60～85℃下干燥3～5h；
S107，通过更新显示模块利用显示器对所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统的数据进行实时更新显示。
如图3所示，本发明实施例提供的步骤S101中，所述通过后基底晶体种子形成模块在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子的方法，包括：
S201，将微量氧化石墨烯分散于一定体积的去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20～50min后，在一定工作频率下超声4～8h；
S202，以Na2SnO3·4H2O为锡源，用天平称取一定量的Na2SnO3·4H2O溶解在上述氧化石墨烯的水溶液中，搅拌10～14h，在80～120℃下干燥形成晶体种子。
本发明实施例提供的分散处理的工作频率为50～55赫兹，所述Na2SnO3·4H2O溶液的摩尔浓度为0.15～0.65mol/L。
如图4所示，本发明实施例提供的步骤S102中，所述通过反应前躯体制备模块将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体的方法，包括：
S301，将带有晶种的还原氧化石墨烯片分散于去离子水中，搅拌30～60min；将NaOH溶解在去离子水中，磁力搅拌，陈化6～12h后形成均一透明溶液A；
S302，按照与溶液A的体积比为1:1的体积量取无水乙醇，以0.2～1mL/s的滴加速度滴加到溶液A中，混合搅拌，陈化静置1～3h，得混合溶液B；
S303，向混合溶液B中加入封端剂和粘结剂，搅拌30～60min，混合均匀，制备得到反应前躯体。
本发明实施例提供的封端剂为硝酸钠、氯化钠、酒石酸钠或柠檬酸钠中的任意一种；所述粘结剂为聚乙二醇PEG、聚吡咯烷酮PVP、聚乙烯醇PVA、葡萄糖或正丁醇中的任意一种。
如图5所示，本发明实施例提供的步骤S103中，所述通过石墨烯纳米阵列制备模块将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列的方法，包括：
S401，将制备得到的反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，导电玻璃的导电面朝下，倾斜放置于反应釜中；
S402，将反应釜置于烘箱中，在180～220℃的温度下恒温反应12～36h，反应结束后自然冷却至室温，即得石墨烯纳米阵列。
本发明实施例提供的石墨烯纳米带器件阵列的基底的直径为5～10nm，厚度为120～150nm。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯纳米带器件阵列的制备系统，其特征在于，所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统包括：
基底晶体种子形成模块、反应前躯体制备模块、中央控制模块、石墨烯纳米阵列制备模块、器件陈列合成模块、清洗浸润模块、分离干燥模块、更新显示模块；
基底晶体种子形成模块，与中央控制模块连接，用于在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子；
反应前躯体制备模块，与中央控制模块连接，用于将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体；
中央控制模块，与基底晶体种子形成模块、反应前躯体制备模块、石墨烯纳米阵列制备模块、器件陈列合成模块、清洗浸润模块、分离干燥模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统各个模块的正常运行；
石墨烯纳米阵列制备模块，与中央控制模块连接，用于将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列；
器件陈列合成模块，与中央控制模块连接，用于通过标准直流磁控溅射技术将制备得到的石墨烯纳米阵列与器件合成，制备得到石墨烯纳米带器件阵列；
清洗浸润模块，与中央控制模块连接，用于通过清洗设备利用去离子水和无水乙醇对得到的石墨烯纳米带器件阵列反复清洗、浸润；
分离干燥模块，与中央控制模块连接，用于将清洗浸润后的石墨烯纳米带器件阵列分离后，置于真空干燥箱，于60～85℃下干燥3～5h；
更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统的数据进行实时更新显示。
2.一种应用如权利要求1所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备系统的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，其特征在于，所述石墨烯纳米带器件阵列的制备方法包括以下步骤：
步骤一，通过基底晶体种子形成模块在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子；通过反应前躯体制备模块将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体；
步骤二，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统各个模块的正常运行；
步骤三，通过石墨烯纳米阵列制备模块将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列；
步骤四，通过器件陈列合成模块利用标准直流磁控溅射技术将制备得到的石墨烯纳米阵列与器件合成，制备得到石墨烯纳米带器件阵列；
步骤五，通过清洗浸润模块利用清洗设备利用去离子水和无水乙醇对得到的石墨烯纳米带器件阵列反复清洗、浸润；
步骤六，通过分离干燥模块将清洗浸润后的石墨烯纳米带器件阵列分离后，置于真空干燥箱，于60～85℃下干燥3～5h；
步骤七，通过更新显示模块利用显示器对所述石墨烯纳米带器件阵列的制备系统的数据进行实时更新显示。
3.如权利要求2所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述通过后基底晶体种子形成模块在还原氧化石墨烯基底上形成晶体种子的方法，包括：
(1)将微量氧化石墨烯分散于一定体积的去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20～50min后，在一定工作频率下超声4～8h；
(2)以Na2SnO3·4H2O为锡源，用天平称取一定量的Na2SnO3·4H2O溶解在上述氧化石墨烯的水溶液中，搅拌10～14h，在80～120℃下干燥形成晶体种子。
4.如权利要求3所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，其特征在于，所述分散处理的工作频率为50～55赫兹，所述Na2SnO3·4H2O溶液的摩尔浓度为0.15～0.65mol/L。
5.如权利要求2所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述通过反应前躯体制备模块将带有晶种的还原氧化石墨烯片与去离子水、NaOH和无水乙醇进行水热反应制备反应前躯体的方法，包括：
(1)将带有晶种的还原氧化石墨烯片分散于去离子水中，搅拌30～60min；将NaOH溶解在去离子水中，磁力搅拌，陈化6～12h后形成均一透明溶液A；
(2)按照与溶液A的体积比为1:1的体积量取无水乙醇，以0.2～1mL/s的滴加速度滴加到溶液A中，混合搅拌，陈化静置1～3h，得混合溶液B；
(3)向混合溶液B中加入封端剂和粘结剂，搅拌30～60min，混合均匀，制备得到反应前躯体。
6.如权利要求5所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，其特征在于，所述封端剂为硝酸钠、氯化钠、酒石酸钠或柠檬酸钠中的任意一种；
所述粘结剂为聚乙二醇PEG、聚吡咯烷酮PVP、聚乙烯醇PVA、葡萄糖或正丁醇中的任意一种。
7.如权利要求2所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述通过石墨烯纳米阵列制备模块将反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，加热反应，得到石墨烯纳米阵列的方法，包括：
(1)将制备得到的反应前躯体转移至聚四氟乙烯反应釜芯中，导电玻璃的导电面朝下，倾斜放置于反应釜中；
(2)将反应釜置于烘箱中，在180～220℃的温度下恒温反应12～36h，反应结束后自然冷却至室温，即得石墨烯纳米阵列。
8.一种应用如权利要求3～7任意一项所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法制备得到的石墨烯纳米带器件阵列，其特征在于，所述石墨烯纳米带器件阵列的基底的直径为5～10nm，厚度为120～150nm。
9.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求3～7任意一项所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法。
10.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求3～7任意一项所述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法。
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