硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料制備加工領(lǐng)域，特別是涉及一種硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由Sp2雜化碳原子網(wǎng)狀連接而成的二維單原子層晶體材料，這種獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)賦予了其諸多優(yōu)異的物理化學(xué)特性。石墨烯具有高的載流子迀移率、高的熱導(dǎo)率、高的楊氏模量和斷裂應(yīng)力，以及高的比表面積，加之其良好的柔韌性和透光性，使其成為最具發(fā)展前景的納米材料之一。石墨烯在高性能復(fù)合材料、柔性顯示與柔性電子器件、電化學(xué)儲(chǔ)能、光電檢測(cè)與傳感器等諸多領(lǐng)域顯示出廣闊的前景，受到了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。
[0003]由于石墨烯是一種帶隙為零的半導(dǎo)體，這在很大程度上阻礙了石墨烯在半導(dǎo)體、導(dǎo)電材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。為了提高和改善石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用方面，科學(xué)家們嘗試了很多方法將石墨烯的能帶隙打開(kāi)，如對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜、對(duì)雙層石墨烯施加垂直的電場(chǎng)、以及對(duì)石墨烯進(jìn)行限域來(lái)構(gòu)筑準(zhǔn)一維納米帶等方法。其中，通過(guò)控制向石墨烯中引入電子與空穴來(lái)改變其本征電學(xué)性質(zhì)的摻雜是最常用的方法之一，將很好地?cái)U(kuò)大石墨烯納米器件的應(yīng)用范圍，有著很重要的意義。
[0004]石墨烯的摻雜主要有兩種方法，其一為化學(xué)修飾，該方法工藝簡(jiǎn)單、可提升電學(xué)性能的特點(diǎn)，但穩(wěn)定性差。另一種方法為晶格摻雜，就是將異質(zhì)原子引入石墨烯六元環(huán)中，用以替換原本的碳原子，該方法具有性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]目前，采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備石墨烯薄膜有潛力實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，有良好的工業(yè)設(shè)備基礎(chǔ)，因此該方法也被用來(lái)生長(zhǎng)硼摻雜石墨稀薄膜。如Mattia Cattelan研究組通過(guò)甲烷作為碳源，乙硼烷作為硼源，采用兩步法在100tC的高溫下制得了單層的硼摻雜石墨烯薄膜;此外，固體液體碳、硼源如聚苯乙烯和硼酸、乙醇和硼粉等也被用來(lái)生長(zhǎng)硼摻雜石墨烯薄膜。盡管上述CVD方法制備了硼摻雜石墨烯薄膜，但是依舊存在一些問(wèn)題，如制備硼摻雜石墨烯薄膜都是采用兩種以上源作為反應(yīng)原料，其中氣態(tài)源大多都為易燃易爆的反應(yīng)源，而不同固態(tài)源或液態(tài)源的反應(yīng)溫度有所不同致使反應(yīng)機(jī)制很難控制，石墨烯缺陷較多和硼摻雜濃度不易控制等。因此尋求一種高質(zhì)量大面積可控制備硼摻雜石墨烯薄膜的方法對(duì)于石墨烯在光電、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中采用化學(xué)氣相沉積法制備硼摻雜石墨烯薄膜存在的反應(yīng)機(jī)制很難控制，石墨烯缺陷較多和硼摻雜濃度不易控制等問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法，所述制備方法至少包括:
[0008]I)提供一襯底，將所述襯底置于雙溫區(qū)系統(tǒng)；
[0009]2)提供一硼碳固態(tài)源，將所述硼碳固態(tài)源置于所述雙溫區(qū)系統(tǒng)內(nèi)，加熱以在所述襯底表面沉積形成硼摻雜石墨烯薄膜。
[0010]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述步驟I)中，將所述襯底置于所述雙溫區(qū)系統(tǒng)后，還包括向所述雙溫區(qū)系統(tǒng)內(nèi)通入還原性氣體，并對(duì)所述襯底進(jìn)行高溫退火處理的步驟。
[0011]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，向所述雙溫區(qū)系統(tǒng)內(nèi)通入所述還原性氣體之前，還包括對(duì)還原性氣體輸送管路進(jìn)行清洗的步驟。
[0012]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述還原性氣體為氫氣、氫氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w或氫氣與氬氣的混合氣體。
[0013]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述襯底材料為八11、？1?(1、1^1?11、(:0、祖、(:11中的一種或多種的合金材料、或鍍有以上金屬材料或合金材料的金屬箔、硅片、玻璃。
[0014]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，選用Au、Pt、Pd、Ir、Ru、Co、N1、Cu中的一種或多種的合金材料為襯底時(shí)，還需要對(duì)所述襯底進(jìn)行拋光處理。
[0015]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，對(duì)所述襯底進(jìn)行拋光處理的方式包括采用醋酸、硝酸或鹽酸對(duì)所述襯底進(jìn)行化學(xué)拋光或在磷酸條件下對(duì)所述襯底進(jìn)行電化學(xué)拋光。
[0016]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述硼碳固態(tài)源為小分子烷基硼酸、小分子烷基苯硼酸或帶有烴基、羥基、羧基或醛基的苯硼酸中的一種。
[0017]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述步驟2)中，將所述硼碳固態(tài)源置于所述雙溫區(qū)系統(tǒng)內(nèi)，加熱以在所述襯底表面沉積形成硼摻雜石墨烯薄膜，包括以下步驟:
[0018]2-1)將所述硼碳固態(tài)源置于所述雙溫區(qū)系統(tǒng)內(nèi)，所述硼碳固態(tài)源與所述襯底位于不同區(qū)域；向所述雙溫區(qū)系統(tǒng)內(nèi)通入還原性氣體，并分別對(duì)所述襯底及所述硼碳固態(tài)源進(jìn)行加熱，以在所述襯底表面沉積形成所述硼摻雜石墨烯薄膜；
[0019]2-2)停止加熱，繼續(xù)通入還原性氣體直至冷卻至室溫，取出表面形成有所述硼摻雜石墨烯薄膜的襯底。
[0020]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述步驟2-1)中，所述襯底的加熱溫度范圍為350 °C?1000 0C。
[0021]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述步驟2-1)中，所述硼碳固態(tài)源的加熱溫度范圍為80 0C?200 0C。
[0022]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述步驟2-1)中，沉積時(shí)間為2min?40min。
[0023]作為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法的一種優(yōu)選的方案，所述還原性氣體為氫氣、氫氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w或氫氣與氬氣的混合氣體。
[0024]如上所述，本發(fā)明的硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法具有以下有益效果:本發(fā)明以硼摻雜石墨烯的薄膜的生長(zhǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)現(xiàn)有制備方法進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)在制備過(guò)程中選用唯一固態(tài)源作為碳、硼源以一步法在較低溫度下獲得大面積高質(zhì)量的石墨烯薄膜，同時(shí)，通過(guò)反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及源的溫度等工藝條件的控制可以控制硼的摻雜量，不僅降低反應(yīng)溫度，節(jié)約能耗，而且簡(jiǎn)化了相關(guān)的制備工藝。因此本發(fā)明完全適用于在低溫下制備大面積、高質(zhì)量且摻雜量可控的硼摻雜石墨烯薄膜，且易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法工藝流程圖。
[0026]圖2為本發(fā)明雙溫區(qū)系統(tǒng)示意圖。
[0027]圖3為本發(fā)明所制備硼摻雜石墨烯薄膜的透射電子顯微鏡圖。
[0028]圖4為本發(fā)明所制備硼摻雜石墨烯薄膜的X射線(xiàn)光電子能譜的B峰圖。
[0029]圖5為本發(fā)明所制備硼摻雜石墨烯薄膜的X射線(xiàn)光電子能譜的C峰及其分峰圖。
[0030]圖6為本發(fā)明所制備硼摻雜石墨烯薄膜的拉曼光譜。
[0031]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0032]I雙溫區(qū)管式爐
[0033]2石英管
[0034]3硼碳固態(tài)源所在區(qū)域
[0035]4襯底所在區(qū)域
[0036]5硼碳固態(tài)源
[0037]6襯底
[0038]7電阻絲
【具體實(shí)施方式】
[0039]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0040]請(qǐng)參閱附圖1至6。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0041]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明提供一種硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法，所述硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法至少包括以下步驟:
[0042]S1:提供一襯底，將所述襯底置于雙溫區(qū)系統(tǒng)；
[0043]S2:提供一硼碳固態(tài)源，將所述硼碳固態(tài)源置于所述雙溫區(qū)系統(tǒng)內(nèi)，加熱以在所述襯底表面沉積形成硼摻雜石墨烯薄膜。
[0044]下面結(jié)合具體附圖對(duì)本發(fā)明的硼摻雜石墨烯薄膜的制備方法做詳細(xì)的介紹。
[0045]執(zhí)行步驟SI，請(qǐng)參閱圖1中的SI步驟，提供一襯底，將所述襯底置于雙溫區(qū)系統(tǒng)。
[0046]作為示例，所述襯底材料為Au、Pt、Pd、Ir、Ru、Co、N1、Cu中的一種或多種的合金材料、或鍍有以上金屬材料或合金材料的金屬箔、硅片、玻璃;優(yōu)選地，本實(shí)施例中，可以采用銅箔作為襯底。
[0047]作為示例，選用六11、？1?(1、1^1?11、(:0、附、(:11中的一種或多種的合金材料為襯底時(shí)，還需要對(duì)所述襯底進(jìn)行拋光處理。
[0048]作為示例，對(duì)所述襯底進(jìn)行拋光處理的方式包括采用醋酸、硝酸或鹽酸對(duì)所述襯底進(jìn)行化學(xué)拋光或在磷酸條件下對(duì)所述襯底進(jìn)行電化學(xué)拋光;優(yōu)選地，本實(shí)施例中，采用磷酸對(duì)銅箔襯底進(jìn)行預(yù)處理。
[0049]作為示例，對(duì)襯底的具體處理過(guò)程為:將銅箔放入燒杯中，依次用去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗;將清洗完后的銅箔放入85%的正磷酸中進(jìn)行電化學(xué)拋光5-15min，取出后用去離子水清洗，N2吹干。
[0050]所述雙溫區(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，所述雙溫區(qū)系統(tǒng)包括雙溫區(qū)管式爐1、貫穿所述雙溫區(qū)管式爐I內(nèi)部的石英管2及電阻絲7;所述雙溫區(qū)管式爐I內(nèi)設(shè)置有硼碳固態(tài)源所在區(qū)域3及