TW201418157A - 石墨烯之篩選分離方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種石墨烯之篩選分離方法包括下列步驟：提供至少一電極對及一能量屏障層，其中該電極對為第一及第二電極，且該能量屏障層形成在該第一電極上。將一含石墨烯的溶液覆蓋該電極對及該能量屏障層。當該含石墨烯的溶液中之一石墨烯薄片覆蓋該第二電極及該能量屏障層，且位在該第一電極上方時，改變該電極對的該第一及第二電極之間的電壓差，並量測出相對應之穿隧電流，最後，利用石墨烯不同層數之穿隧電流的電性差異進行篩選分離。

Description

石墨烯之篩選分離方法及裝置
本發明係有關於一種石墨烯之篩選分離方法，特別是有關於一種石墨烯之篩選分離裝置。
石墨烯是由單層的碳原子，以sp2混成軌域緊密排列而組成之六角碳環，再以蜂巢形狀之晶格排列延伸而形成平面的二維材料。當石墨烯以平面結構層層堆疊起來時，即為三維結構的多層石墨烯。
石墨烯的機械強度和柔韌性都比透明銦錫氧化物(ITO)材料優良，因此可以替代銦錫氧化物作為顯示器之透明導電極。透明導電極的應用需求是3~5層石墨烯。
石墨烯製成的超級電容器，充電時間只需1毫秒。單層石墨烯的比表面積可達到2630平方米/克，是極為理想的超級電容器儲能材料。理想超級電容的應用需求是1層石墨烯。
石墨烯可替代矽，應用在將晶片之電晶體領域。電晶體的應用需求是1~2層石墨烯，將晶片速度提高到THZ級別。
石墨烯製成的鋰離子電池負極材料能夠大幅提高電池性能。電池負極的應用需求是3~4層石墨烯，3~4層石墨烯之間有空隙，並具有低溫環境下輸出功率密度較高，反覆充放電時性能也不易劣化。
以上產品對石墨烯材料有特定層數的需求，就目前製程技術而言，其純度尚無法集中在特定層數。因此，必須仰賴分辨及分離純化方法進行分離特定層數的石墨烯。
習知石墨烯層數分辨方法，是利用光學的方式分辨石墨烯層數。例如，利用量子霍耳效應(Quantum Hall effects)分辨石墨烯層數，以區分單層石墨烯與雙層石墨烯。缺點是：使用量子霍爾效應分辨石墨烯層數需在高磁場環境下而不實用，效率不好。或者，利用拉曼光譜(Raman spectrum)分辨石墨烯層數。舉例，藉由聲子和光子的交互作用，測量散射後的光子，由石墨烯的拉曼光譜分辨厚度。缺點是：多層石墨烯的拉曼光譜差異不明顯。或者，利用對比光譜(contrast spectrum)分辨石墨烯層數。舉例，以白光源照射，從反射光譜找出石墨烯與基材(SiO2/Si)之間的對比。缺點是：需在特定的厚度與特定材料基材上才能顯示差異，與現有的分離系統難以結合應用。
習知石墨烯層數分離純化方法，是利用密度梯度超高速離心(density gradient ultracentrifugation)分離純化石墨烯層數。舉例，以兩親性表面活性劑膽酸鈉調配石墨烯薄片溶液，以密度梯度超高速離心進行分離石墨烯層數。此方法解決一般重力離心分離無法分開石墨烯薄片面積與多分散性厚度的耦合效應。缺點：批次式分離不同層數石墨烯，純度提升有瓶頸，目前分離出表層溶液，單層石墨烯可達85%。
如上所述，石墨烯層數的分辨方法，目前比較實用的是利用上述光學的方式。然而，對於在石墨烯溶液中要分離出特定層數的石墨烯，大多使用密度梯度超高速離心進行分離石墨烯層數。光學方式的石墨烯層數分辨雖然已有些明確的方法，但對於挑選分離特定層數的石墨烯，仍得依賴其他方法。
因此，便有需要提供一種石墨烯之篩選分離方法及裝置，能夠解決前述的問題。
本發明之一目的石墨烯之篩選分離方法，可藉由穿隧電流的量測而判別石墨烯的層數。
為達成上述目的，本發明提供一種石墨烯之篩選分離方法包括下列步驟：提供至少一電極對及一能量屏障層，其中該電極對為第一及第二電極，且該能量屏障層形成在該第一電極上。將一含石墨烯的溶液覆蓋該電極對及該能量屏障層。當該含石墨烯的溶液中之一石墨烯薄片覆蓋該第二電極及該能量屏障層，且位在該第一電極上方時，改變該電極對的該第一及第二電極之間的電壓差，並量測出相對應之穿隧電流，最後，利用石墨烯不同層數之穿隧電流的微分電導之電性差異進行篩選分離。
本發明的分離篩選方法是利用形成有金屬氧化物的陣列電極以介電泳力吸附石墨烯後，經由穿隧電流的量測判別石墨烯的層數。陣列電極可根據特定的石墨烯層數繼續 施以介電泳力或是停止介電泳力，如此可將特定層數的石墨烯保留在該電極對上，或是可將特定層數石墨烯自該電極對釋放出來，以形成篩選分離機制。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。
參考圖1及2，顯示本發明之一實施例之石墨烯(graphene)之篩選分離裝置100。該石墨烯之篩選分離裝置100包括至少一電極對，例如多個電極對以陣列式排列，稱為陣列電極。每個電極對由第一及第二電極111、110所組成，並被含石墨烯的溶液160所覆蓋。在本實施例中，該第一及第二電極111、110可為金屬電極。
每一電極對(該第一及第二電極111、110)皆可獨立並藉由導線141、142電性連接於一時變性電壓源140(亦即交流電源)，使該第一及第二電極111、110之間形成介電泳力，以吸附含石墨烯的溶液160中之石墨烯薄片130。介電泳力(dielectrophoresis)主要是根據石墨烯薄片與溶液間不同介電特性(導電度及介電常數)，同時利用非均勻交流電場使薄片產生非對稱的誘發極性能力，薄片受電場作用力後會往高或低電場強度處移動而分離。
參考圖3及4，至少一能量屏障層(例如氧化鋁Al2O3所製之金屬氧化物120)形成(例如濺鍍方式)在該電極對的第一電極111上，且亦被該含石墨烯的溶液所覆蓋。當一石墨烯薄片130覆蓋該第二電極110及金屬氧化物120， 且位在該第一電極111上方時，該金屬氧化物120之適當的厚度可使該石墨烯薄片130與該第一電極111之間在偏壓後產生穿隧電流。穿隧電流是指當電子穿隧通過該能量屏障層時，在該能量屏障層後面探測到的電流，稱為穿隧電流(tunneling current)。由於穿隧電流與物質的態密度(density of state)有以下的關係：
其中I為穿隧電流、E為帶電粒子能量、E F為費米能量(Fermi Energy)、ρ Metal為金屬電極之態密度、ρ Sample為石墨烯樣本之態密度及V為電荷電壓。
由(1-1)式可推得(1-2)式，然後根據(1-2)式，不同層數的石墨烯其態密度不同，穿隧電流對電壓微分(dI/dV)(亦即微分電導)的量測結果也就會有差異性，由這樣的關係可得到不同層數石墨烯的dI/dV值。
參考圖5，每一電極對皆可獨立電性連接於一微電流量測單元150。在電極對之第一及第二電極吸附石墨烯薄片130後，微電流量測單元150可改變第一及第二電極111、110之間的電壓差V，並藉由導線151、152量測出相對應之穿隧電流I，以得到穿隧電流對電壓微分(dI/dV)與電壓差V值的變化曲線圖。由於流經石墨烯的穿隧電流與石墨烯薄片的態密度有關，亦即不同層數的石墨烯之態密度會有差異，因此根據微電流量測單元150所量測的穿隧電 流，即可判別石墨烯層數。
參考圖6，其顯示吸附在電極對上之不同層數(厚度)還原態氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide)的穿隧電流對電壓微分(dI/dV)的量測結果。例如，單層石墨烯厚度為0.34nm，從實驗量測顯示厚度為一層石墨烯的差異(0.98nm與1.30nm)，穿隧電流對電壓微分(dI/dV)的五種曲線仍可清楚鑑別出對應五種厚度(I~V)。從石墨烯厚度計算石墨烯層數的公式可為：(石墨烯厚度-0.98 nm)/0.34 nm+1，其推論如下：
由於不同厚度(層數)而有不同的能帶結構，導致不同的電子性質，因此可利用石墨烯不同層數之穿隧電流的電性差異進行篩選分離。
簡言之，本發明的一種石墨烯之篩選分離方法包括下列步驟：提供至少一電極對及一能量屏障層，其中該電極對為第一及第二電極，且該能量屏障層形成在該第一電極上。將一含石墨烯的溶液覆蓋該電極對及該能量屏障層。當該含石墨烯的溶液中之一石墨烯薄片覆蓋該第二電極及該能量屏障層，且位在該第一電極上方時，改變該電極對的該第一及第二電極之間的電壓差，並量測出相對應之穿隧電流，最後，利用石墨烯不同層數之穿隧電流的微分電導之電性差異進行篩選分離。
本發明的分離篩選方法是利用形成有金屬氧化物的陣列電極以介電泳力吸附石墨烯後，可藉由穿隧電流的量測而判別石墨烯的層數。陣列電極可根據特定的石墨烯層數繼續施以介電泳力或是停止介電泳力，如此可將特定層數的石墨烯保留在該電極對上，或是可將特定層數石墨烯自 該電極對釋放出來，以形成篩選分離機制。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧篩選分離裝置
110‧‧‧第二電極
111‧‧‧第一電極
120‧‧‧金屬氧化物
130‧‧‧石墨烯薄片
140‧‧‧時變性電壓源
141‧‧‧導線
142‧‧‧導線
150‧‧‧微電流量測單元
151‧‧‧導線
152‧‧‧導線
160‧‧‧含石墨烯的溶液
I‧‧‧穿隧電流
V‧‧‧電壓差
圖1為本發明之一實施例之石墨烯之篩選分離裝置之平面示意圖；圖2為本發明之一實施例之石墨烯之篩選分離裝置之剖面示意圖，其顯示該石墨烯之篩選分離裝置包括一時變性電壓源；圖3本發明之一實施例之電極對、能量屏障層及石墨烯薄片之平面示意圖；圖4為示意圖，其顯示本發明之一實施例之金屬氧化物之適當的厚度可使該石墨烯薄片與電極之間在偏壓後產生穿隧電流；圖5為本發明之一實施例之石墨烯之篩選分離裝置之剖面示意圖，其顯示該石墨烯之篩選分離裝置包括一微電流量測單元；以及圖6為示意圖，其顯示吸附在電極上之不同層數還原態氧化石墨烯的穿隧電流對電壓微分的量測結果。
100‧‧‧篩選分離裝置
110‧‧‧第二電極
111‧‧‧第一電極
120‧‧‧金屬氧化物
130‧‧‧石墨烯薄片
150‧‧‧微電流量測單元
151‧‧‧導線
152‧‧‧導線
160‧‧‧含石墨烯的溶液

Claims (10)

  1. 一種石墨烯之篩選分離方法，包括下列步驟：提供至少一電極對及一能量屏障層，其中該電極對為第一及第二電極，且該能量屏障層形成在該第一電極上；將一含石墨烯的溶液覆蓋該電極對及該能量屏障層；當該含石墨烯的溶液中之一石墨烯薄片覆蓋該第二電極及該能量屏障層，且位在該第一電極上方時，改變該電極對的該第一及第二電極之間的電壓差，並量測出相對應之穿隧電流；以及利用石墨烯不同層數之穿隧電流的電性差異進行篩選分離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯之篩選分離方法，其中藉由該電極對之該第一及第二電極之間的電壓差與所量測出相對應之穿隧電流，得到穿隧電流對電壓微分與電壓差值的變化曲線圖。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯之篩選分離方法，其中每個電極對藉由電性連接於一時變性電壓源，使該電極對之該第一及第二電極之間形成介電泳力，藉此該含石墨烯的溶液之該石墨烯薄片覆蓋該第二電極及該能量屏障層，且位在該第一電極上方。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之石墨烯之篩選分離方法，其中根據特定的石墨烯層數繼續施以介電泳力，如 此將該特定層數的石墨烯保留在該電極對上。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之石墨烯之篩選分離方法，其中根據特定的石墨烯層數停止介電泳力，如此將該特定層數石墨烯自該電極對釋放出來。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯之篩選分離方法，其中該能量屏障層為氧化鋁所製之金屬氧化物。
  7. 一種石墨烯之篩選分離裝置，包括：至少一電極對，每個電極對由第一及第二電極所組成，並被一含石墨烯的溶液所覆蓋；至少一能量屏障層，形成在該第一電極上，且亦被該含石墨烯的溶液所覆蓋；以及一微電流量測單元，電性連接於該電極對的兩電極，其中當該含石墨烯的溶液中之一石墨烯薄片覆蓋該第二電極及該能量屏障層，且位在該第一電極上方時，該微電流量測單元改變該電極對的該第一及第二電極之間的電壓差，並量測出相對應之穿隧電流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之石墨烯之篩選分離裝置，其中每一電極對藉由電性連接於一時變性電壓源，使該電極對之該第一及第二電極之間形成介電泳力，藉此該含石墨烯的溶液之該石墨烯薄片覆蓋該第二電極及該能量屏障層，且位在該第一電極上方。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之石墨烯之篩選分離裝置，其中該能量屏障層為一金屬氧化物。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之石墨烯之篩選分離裝 置，其中該金屬氧化物為氧化鋁所製。
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