專利名稱：一種制備石墨烯材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在室溫下大量制備高質(zhì)量、單層石墨烯材料的方法，屬于微電子學和信息電子學中材料制備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯材料是一種新型的半導體材料。它是目前世界上已知的強度最大，導熱性能最好，厚度最薄的材料。其厚度只有0.3 nm，但強度是鋼的100倍，導熱系數(shù)是硅的100倍。自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，對于石墨烯材料的制備和性質(zhì)的研究是目前學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的執(zhí)占。
最初制備石墨烯的方法是原始的機械剝離法，即直接克服大塊石墨的層間的范德華力使單層的碳原子層剝離出來，成為名義上的石墨烯材料。由于發(fā)現(xiàn)了石墨烯材料優(yōu)異的性質(zhì)，隨后有研究者又提出了其他的方法，比如:氧化石墨還原的方法，即將原始的石墨膨脹后再經(jīng)過還原制備得到單層的石墨材料，即石墨烯；另外還有使用碳納米管(CNT)為原料的“拉鏈法”，即采用催化劑將碳納米管沿軸向剖開，展開后即得到了石墨烯條帶；除此以外，還有直接生長法，即使用化學氣相沉積(CVD)的方法直接在襯底上生長單層或多層的石墨；以及使用加熱SiC襯底的方法，也即在1300攝氏度以上的高溫高真空環(huán)境中加熱SiC襯底，由于Si原子的揮發(fā)，在其表面會形成單層或多層的石墨材料。在以上的各種制備方法中，使用機械剝離的方法可以得到質(zhì)量最好的石墨烯材料，但是由于其產(chǎn)量非常低，所以僅限于實驗室的研究來使用。氧化石墨還原的方法可以大量的制備得到石墨烯材料，但是得到的石墨烯缺陷太多，質(zhì)量還有待改善。使用CNT為原料的“拉鏈法”也是屬于化學方法的一種，由于其使用了金屬等催化劑，會對得到的石墨烯的性質(zhì)產(chǎn)生影響，因此得到的石墨烯的性能也有待改善。CVD方法制備石墨烯的方法優(yōu)點在于可以大面積制備，可以與半導體工業(yè)相集成，但是得到的石墨烯的性能也難以與使用機械剝離法制備得到的相媲美。為此，找到一種既產(chǎn)量高，而且質(zhì)量好的制備石墨烯的方法是目前非常緊迫的問題。發(fā)明內(nèi)容
基于以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種使用電熱燒蝕技術(shù)來制備石墨烯材料的方法，該方法使用CNT或無定形的碳源為原料，通過在真空環(huán)境下加熱燒蝕處理，使碳源轉(zhuǎn)化為石墨烯材料。其具有的優(yōu)點是得到的產(chǎn)物的質(zhì)量好，并且具有較高的產(chǎn)率。
本發(fā)明制備石墨烯材 料的方法具體過程如下: 一種制備石墨烯材料的方法，具體步驟為: (1)將碳納米管或者無定形的碳源安放在正電極或者負電極上，正電極連接外部電源的正極，負電極連接外部電源的負極，將正電極和負電極相互靠近并通過碳納米管或者無定形的碳源接觸導通； (2)將導通的正電極和負電極 放置在真空室內(nèi)，關(guān)掉外部電源的電壓，將真空室的真空度抽至1(Γ4 I(T5 Pa范圍；(3)在正電極和負電極上施加2-3V的直流電壓，將碳納米管或者無定形的碳源慢慢加熱；在加熱5-20分鐘后,再對正電極和負電極施加一個電壓脈沖0.2-1V,該脈沖的電壓超過碳納米管或者無定形的碳源所能承受的電壓，有部分碳納米管或者無定形的碳源被大電流所燒蝕，電流很快降低到0，在正電極和負電極中間的碳納米管或者無定形的碳源被燒成兩截，在燒蝕后的斷開部分形成了大量的石墨烯結(jié)構(gòu)的材料。
其中的電極材料可以是任意導電金屬；真空室可以是多種形狀規(guī)格；加熱CNT可以是使用其他方式，比如電阻絲加熱等；施加的電壓脈沖可以根據(jù)具體情況選擇。
本發(fā)明的方法所需要的制備設(shè)備簡單，溫度低，原料簡單易得。其操作方便，重復性好，利用本發(fā)明制備得到的石墨烯質(zhì)量好，產(chǎn)量較多。


圖1是本發(fā)明制備石墨烯材料所使用的裝置圖。
圖2是燒蝕以前的CNT的透射電子顯微鏡(TEM)圖片及電流變化圖。
圖3 (a)為CNT團被燒蝕斷開以后，在斷口部分找到了大量的片狀石墨烯結(jié)構(gòu)材料的TEM圖片；(b)為石墨烯的選取電子衍射圖。
圖4是在另外一燒蝕區(qū)域的TEM照片，(a)為具有雙層和多層的石墨片結(jié)構(gòu)，上部的箭頭指示了多層石墨烯結(jié)構(gòu)，下面的箭頭指示少層石墨烯結(jié)構(gòu)；(b)為在邊緣有單層結(jié)構(gòu)的石墨片結(jié)構(gòu)；箭頭指不了單層石墨稀結(jié)構(gòu)。
圖5是測試得到的單層石墨烯材料的電流-電壓特性圖。
具體實施方式
本實施例的裝置如圖1所示，包括真空室1、正電極2、負電極3，方法步驟為:(1)將一撮碳納米管4置入正電極2和負電極3的中間，用于連接這兩個導電電極，碳納米管4的直徑在100納米以下，長度不限，正負電極的材料可以是鎢、石墨等熔點較高的金屬(2)將連接好碳納米管4的電極置入真空室1中并固定，(3)將真空室1的真空抽至10_4 Pa以下，(4)在正電極2和負電極3間通入2-3 V的電壓，等待10分鐘左右，(5)保持兩電極間2-3 V的電壓，并通入0.2-1 V的電壓脈沖，將碳納米管4燒斷，(6)在碳納米管4燒斷后的斷口部分找到大量的單層石墨烯材料。
以下參照附圖做進一步說明。
如圖1、圖2，將CNT安放在正負電極上，將正負電極靠近并通過CNT接觸導通。由于CNT本身具有較好的導電性質(zhì)，因此施加一個小的外電壓后可以觀察到有電流通過。關(guān)掉外部的電壓，將體系的真空度抽至10_4 10_5 Pa范圍后在正負極上施加2-3V的直流電壓，將CNT慢慢加熱。由于真空中散熱較慢，相對于兩個金屬電極CNT具有較大的電阻，因此在10分鐘左右就可以將CNT加熱到較高的溫度。在加熱過程中，其電流有一個慢慢增加的過程，這是由于加熱導致CNT和電極的接觸變好，同時CNT本身的缺陷減少，導電性能變好。一般在加熱5-20分鐘后,在兩電極上施加一個0.2-1V的電壓,此時，由于所施加的電壓超過CNT所能承受的電壓，有部分CNT將被大電流所燒蝕，從圖2中可以看到電流將會很快降低到0，在兩個電極中間的CNT被燒成兩截。而在燒蝕后的斷開部分會發(fā)現(xiàn)形成了大量的石墨烯結(jié)構(gòu)的材料。
圖2中的TEM圖片給出了燒蝕以前的CNT結(jié)構(gòu)，從圖上可以看到很多CNT纏繞在一起，其中有單壁和多壁各種不同類型的CNT。仔細檢查沒有發(fā)現(xiàn)有石墨形態(tài)存在。其中有少于的金屬催化劑夾雜著。
圖3 (a)給出了在CNT團被燒蝕斷開以后，在斷口部分找到了大量的片狀石墨烯結(jié)構(gòu)材料的TEM圖片。其中大多數(shù)片層的尺寸為10-20 nm。在邊沿部分可以明顯的看到所得到的為單層的石墨烯材料。由于是經(jīng)過高溫處理得到的石墨烯片，所以其質(zhì)量非常好。(b)圖給出了石墨烯的選取電子衍射圖(SAED)，從圖上可以看到清晰的對應(yīng)于石墨材料的衍射環(huán)，特別值得注意的是原有的屬于塊體石墨的特有的(伙形乃衍射環(huán)消失，這說明制備得到的為晶化良好的單層石墨烯材料。
圖4給出了在另外一燒蝕區(qū)域的TEM照片。其中，(a)圖顯示的區(qū)域具有雙層和多層的石墨片結(jié)構(gòu)；(b)圖顯示的區(qū)域顯示在邊緣有單層結(jié)構(gòu)。在樣品的大部分區(qū)域都可以觀察到類似的單層或少數(shù)幾層的石墨片狀結(jié)構(gòu)。這說明使用此法制備得到的石墨烯具有較高的產(chǎn)量。
圖5給出了測試得到的單層石墨烯材料的電流-電壓特性圖，左上角中的插圖為TEM照片。從圖上看到，石墨烯具有良好的導電性質(zhì)。其與CNT接觸后形成了較好的歐姆接觸。這說明通過這種方法制備得到的石墨烯具有較好的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種制備石墨烯材料的方法，其特征在于，該方法的具體步驟為: (1)將碳納米管或者無定形的碳源安放在正電極或者負電極上，正電極連接外部電源的正極，負電極連接外部電源的負極，將正電極和負電極相互靠近并通過碳納米管或者無定形的碳源接觸導通； (2)將導通的正電極和負電極放置在真空室內(nèi)，關(guān)掉外部電源的電壓，將真空室的真空度抽至1(Γ4 I(T5 Pa范圍； (3)將碳納米管或者無定形的碳源慢慢加熱；加熱5-20分鐘后，再對正電極和負電極施加一個電壓脈沖，該脈沖的電壓超過碳納米管或者無定形的碳源所能承受的電壓，碳納米管或者無定形的碳源被大電流所燒蝕，在正電極和負電極中間的碳納米管或者無定形的碳源被燒成兩截，在燒蝕后的斷開部分形成了大量的石墨烯結(jié)構(gòu)的材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備石墨烯材料的方法，其特征在于:所述步驟(3)中將碳納米管或者無定形的碳源慢慢加熱的方法為:利用電阻絲加熱或者在正電極和負電極上施加2-3V的直流電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種制備石墨烯材料的方法，其特征在于:所述步驟(3)中的電壓脈 沖為0.2-1V。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備石墨烯材料的方法，屬于微電子學和信息電子學中材料制備的技術(shù)領(lǐng)域。該方法具體步驟為(1)將碳納米管或者無定形的碳源置入正電極和負電極的中間，將正負電極相互靠近并接觸導通，(2)將連接好的電極置入真空室中并固定，關(guān)掉外部電源的電壓，將真空室的真空度抽至10-4～10-5Pa范圍；(3)將碳納米管或者無定形的碳源慢慢加熱；再對正負電極施加一個電壓脈沖，將碳納米管或者無定形的碳源燒斷，在燒蝕后的斷開部分形成了大量的石墨烯結(jié)構(gòu)的材料。本發(fā)明的方法所需要的制備設(shè)備簡單，溫度低，原料簡單易得，其制備得到的石墨烯質(zhì)量好，產(chǎn)量較多。
文檔編號C01B31/04GK103145123SQ20131009979
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者萬能, 劉楚山, 劉海濱 申請人:孝感市瑞晟機電制造有限公司