一種制備石墨烯和單層六角氮化硼復(fù)合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的方法，屬于薄膜材料制備領(lǐng)域。其主要原理為：加熱溶解了碳(2)的金屬薄膜(1)至800至1100K。然后利用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方式在金屬表面生成單層六角氮化硼。所用金屬薄膜(1)為CVD所用氣體(3)分解的催化劑，當(dāng)金屬表面被單層六角氮化硼薄膜(4)覆蓋后，將失去化學(xué)活性。從而控制生長(zhǎng)的六角氮化硼(4)的厚度為單原子層。當(dāng)六角氮化硼覆蓋整個(gè)金屬薄膜表面后，冷卻金屬薄膜。溶解的碳將析出在六角氮化硼和金屬之間形成單層或者多層的石墨烯(6)。石墨烯(6)同單層六角氮化硼(4)構(gòu)成復(fù)合材料。通過此方法可以廉價(jià)快速地制備緊密結(jié)合的石墨烯和氮化硼的復(fù)合材料。
【專利說明】一種制備石墨烯和單層六角氮化硼復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種制備石墨烯和單層六角氮化硼復(fù)合材料的方法，屬于薄膜材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自2004年由Novoselov和Gein第一次制備出單層石墨烯以來，誕生了許許多多種制備石墨烯的方法?；瘜W(xué)氣相沉積法(Nature 457(7230):706.)被認(rèn)為是目前最有希望制備大面積、高品質(zhì)的石墨烯薄膜的方法。最新的研究表明，石墨烯與六方氮化硼結(jié)合，遷移率將提高I~2個(gè)數(shù)量級(jí)。但目前六方氮化硼主要通過工藝復(fù)雜的高壓水合法制得，這嚴(yán)重制約了石墨烯/氮化硼薄膜的制備。石墨烯和氮化硼一般以分開的方式制備。他們之間的結(jié)合也是簡(jiǎn)單的疊加方式。這個(gè)過程中會(huì)引入大量缺陷。并且石墨烯和氮化硼的晶格取向也接近于隨機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種簡(jiǎn)單、成本低廉、的制備高質(zhì)量石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法。本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案:
[0004]1.一種制備石墨烯和單層六角氮化硼復(fù)合材料的方法。包括:金屬薄膜(I)、金屬中溶解的碳元素(2)、含氮原子硼原子的氣體(3)、單層氮化硼薄膜(4)、氣體分解后的剩余分子或原子(5)、石墨烯薄 膜出)。其特征為:加熱的溶解了碳元素(2)的金屬薄膜(I)至800至1200K。然后利用化學(xué)氣相沉積的方式在金屬表面生成單層六角氮化硼(4)。所用金屬薄膜(I)為含有氮原子和硼原子的氣體(3)分解的催化劑，當(dāng)金屬表面被單層六角氮化硼薄膜(4)覆蓋后，將失去化學(xué)活性。在被覆蓋的金屬表面將不能繼續(xù)生長(zhǎng)六角氮化硼。從而控制生長(zhǎng)的六角氮化硼(4)的厚度為單原子層。當(dāng)六角氮化硼覆蓋整個(gè)金屬薄膜(I)表面后，冷卻金屬薄膜(I)。其中溶解的碳元素(2)將析出在六角氮化硼(4)和金屬(I)之間形成單層或者多層的石墨烯(6)。石墨烯(6)同單層六角氮化硼(4)構(gòu)成復(fù)合材料。通過此方法可以廉價(jià)快速地制備緊密結(jié)合的石墨烯和氮化硼的復(fù)合材料。
[0005]2.說明I中所述的金屬薄膜⑴的材料可以為:銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鑰(Mo)、釕(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銠(Rh)和鎢(W)中的一種或任意兩種以上的組合。
[0006]3.說明I中所述的金屬薄膜(I)的厚度可以為I納米至I毫米。具體厚度根據(jù)所要生長(zhǎng)的石墨烯和金屬?zèng)Q定。
[0007]4.說明I中所述的金屬薄膜⑴的可以為任意形式。例如:自支撐薄膜、其他襯底上生長(zhǎng)的金屬薄膜、等。
[0008]5.說明I中所述的金屬中溶解的碳元素(2)可以為金屬薄膜中本身具有的，也可以是通過其他手段添加進(jìn)入的。此添加過程在氮化硼生長(zhǎng)之前完成。[0009]6.說明I中所述的含有氮原子和硼原子的氣體(3)可以為任意含有氮原子和硼原子的一種氣體或者幾種氣體的組合。只要它(們)可以在金屬表面經(jīng)過催化作用形成六角氮化硼。例如環(huán)硼氮烷。
[0010]7.說明I中所述的金屬薄膜的冷卻過程的速度可以為2K每秒至0.0001K每秒。具體降溫速度由形成石墨烯的參數(shù)所決定。
[0011]8.說明I中所述的石墨烯(6)的厚度可以為0.05層原子至20層原子。小于I個(gè)原子單層的覆蓋度的石墨烯材料為根據(jù)要求所制備的不完全覆蓋的石墨烯。例如石墨烯島O
[0012]9.說明I中所述的通入的含有氮原子和硼原子的氣體的氣壓范圍為10_9mbar至2bar。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:廉價(jià)、快速、能實(shí)現(xiàn)石墨烯材料和單層六角氮化硼的緊密結(jié)合。實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯材料本身電學(xué)性質(zhì)的改善。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0014]附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
[0015]在附圖中:
[0016]圖1至圖5是本發(fā)明一種實(shí)施例的示意圖。
[0017]圖2至圖5是本發(fā)明一種實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019]實(shí)例一:參照?qǐng)D1-圖5。
[0020]圖1:為一片不含碳元素的金屬薄膜(I)。其材料可以為銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鑰(Mo)、釕(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銠(Rh)和鎢(W)中的一種或任意兩種以上的組合。
[0021]圖2:中將金屬薄膜(I)注入碳元素(2)。注入的方式可以為在真空腔或者石英管中通入一定量的碳?xì)浠衔?，并加熱金屬薄膜。碳?xì)浠衔镉龅浇饘俦砻娣纸?。這樣得到溶有碳元素的金屬薄膜。
[0022]圖3:加熱溶解了碳元素(2)的金屬薄膜(I)至800至1200K。通入含有氮原子和硼原子的氣體(3)。此氣體分子可以為任意含有氮原子和硼原子的一種氣體或者幾種氣體的組合。只要它(們)可以在金屬表面經(jīng)過催化作用形成六角氮化硼。例如環(huán)硼氮烷。氣體(3)的氣壓范圍為10_9mbar至2bar。
[0023]圖4:含有氮原子和硼原子的氣體(3)在加熱的金屬表面分解，并形成單層六角氮化硼薄膜(4)。分解后的剩余產(chǎn)物為(5)。如果用環(huán)硼氮烷作為(3)。那么(5)的成分就是氫氣或者氫原子。被并形成單層六角氮化硼薄膜(4)覆蓋的金屬表面將失去化學(xué)活性。在被覆蓋的金屬表面將不能繼續(xù)生長(zhǎng)六角氮化硼。從而控制生長(zhǎng)的六角氮化硼(4)的厚度為單原子層。
[0024]圖5:當(dāng)六角氮化硼覆蓋整個(gè)金屬薄膜⑴表面后，冷卻金屬薄膜⑴。其中溶解的碳元素(2)將析出在六角氮化硼(4)和金屬(I)之間形成單層或者多層的石墨烯(6)。石墨烯(6)同單層六角氮化硼(4)構(gòu)成復(fù)合材料。
[0025]實(shí)例二:參照?qǐng)D2-圖5。
[0026]圖2:為一片含有碳元素的金屬薄膜(I)。其材料可以為銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鑰(Mo)、釕(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銠(Rh)和鎢(W)中的一種或任意兩種以上的組合。
[0027]圖3:加熱含有碳元素(2)的金屬薄膜(I)至800至1200K。通入含有氮原子和硼原子的氣體(3)。此氣體分子可以為任意含有氮原子和硼原子的一種氣體或者幾種氣體的組合。只要它(們)可以在金屬表面經(jīng)過催化作用形成六角氮化硼。例如環(huán)硼氮烷。氣體
(3)的氣壓范圍為10_9mbar至2bar。
[0028]圖4:含有氮原子和硼原子的氣體(3)在加熱的金屬表面分解，并形成單層六角氮化硼薄膜(4)。分解后的剩余產(chǎn)物為(5)。如果用環(huán)硼氮烷作為(3)。那么(5)的成分就是氫氣或者氫原子。被并形成單層六角氮化硼薄膜(4)覆蓋的金屬表面將失去化學(xué)活性。在被覆蓋的金屬表面將不能繼續(xù)生長(zhǎng)六角氮化硼。從而控制生長(zhǎng)的六角氮化硼(4)的厚度為單原子層。
[0029]圖5:當(dāng)六角氮化硼覆蓋整個(gè)金屬薄膜⑴表面后，冷卻金屬薄膜⑴。其中溶解的碳元素(2)將析出在六角氮化硼(4)和金屬(I)之間形成單層或者多層的石墨烯(6)。石墨烯(6)同單層六角氮化硼(4)構(gòu)成復(fù)合材料。
【權(quán)利要求】
1.一種制備石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法。包括:金屬薄膜(I)、金屬中溶解的碳元素(2)、含氮原子硼原子的氣體(3)、單層氮化硼薄膜(4)、氣體分解后的剩余分子或原子(5)、石墨烯薄膜(6)。其特征為:加熱的溶解了碳元素(2)的金屬薄膜(I)至800至1200K。然后利用化學(xué)氣相沉積的方式在金屬表面生成單層六角氮化硼(4)。所用金屬薄膜(I)為含有氮原子和硼原子的氣體(3)分解的催化劑，當(dāng)金屬表面被單層六角氮化硼薄膜(4)覆蓋后，將失去化學(xué)活性。在被覆蓋的金屬表面將不能繼續(xù)生長(zhǎng)六角氮化硼。從而控制生長(zhǎng)的六角氮化硼(4)的厚度為單原子層。當(dāng)六角氮化硼覆蓋整個(gè)金屬薄膜(I)表面后，冷卻金屬薄膜(I)。其中溶解的碳元素(2)將析出在六角氮化硼(4)和金屬(I)之間形成單層或者多層的石墨烯(6)。石墨烯(6)同單層六角氮化硼(4)構(gòu)成復(fù)合材料。通過此方法可以廉價(jià)快速地制備緊密結(jié)合的石墨烯和氮化硼的復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法，其特征在于，所述的金屬薄膜(I)的材料可以為:銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉬(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鑰(Mo)、釕(Rh)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銠(Rh)和鎢(W)中的一種或任意兩種以上的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法，其特征在于，所述的金屬薄膜(I)的厚度可以為I納米至I毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法，其特征在于，所述的金屬薄膜(I)的可以為任意形式。例如:自支撐薄膜、其他襯底上生長(zhǎng)的金屬薄膜、等。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法，其特征在于，所述的金屬中溶解的碳元素(2)可以為金屬薄膜中本身具有的，也可以是通過其他手段添加進(jìn)入的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法，其特征在于，所述的含有氮原子和硼原子的氣體(3)可以為任意含有氮原子和硼原子的一種氣體或者幾種氣體的組合。只要它(們)可以在金屬表面經(jīng)過催化作用形成六角氮化硼。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法，其特征在于，所述的金屬薄膜的冷卻速度可以為2K每秒至0.0001K每秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯和單層六角氮化硼的復(fù)合薄膜材料的制備方法，其特征在于，所述的石墨烯(6)的厚度可以為0.05層原子至20層原子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通入的含有氮原子和硼原子的氣體的氣壓范圍為IO-9Hibar至2bar。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK103663416SQ201210328066
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月1日
【發(fā)明者】董國材 申請(qǐng)人:董國材