本發(fā)明涉及石墨烯，尤其是涉及一種激光誘導(dǎo)沉積制造圖案化石墨烯的裝置。
背景技術(shù)：
自2004年石墨烯(graphene)這一材料被發(fā)現(xiàn)以來,有關(guān)研究和新聞就未曾間斷。石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種炭質(zhì)新材料,這種石墨烯晶體薄膜的厚度只有0.335nm,僅為頭發(fā)直徑的20萬分之一,是目前已知世界上強(qiáng)度最高的材料,具有熱、力、電等優(yōu)異的性能。石墨烯的制備大體可分為物理方法(液相剝離法、機(jī)械剝離法)和化學(xué)方法(cvd、sic外延生長等)。其中化學(xué)方法研究得較早,主要是以苯環(huán)或其他芳香體系為核,通過偶聯(lián)反應(yīng)使苯環(huán)上6個(gè)碳均被取代,然后相鄰取代基之間脫氫形成新的芳香環(huán),如此進(jìn)行多步反應(yīng)使芳香體系變大,但該方法工藝復(fù)雜，制造成本較高；物理方法主要以石墨為原料來合成,不僅原料便宜易得,而且可得到較大平面結(jié)構(gòu)的石墨烯,但是成型的石墨烯品質(zhì)較低?；瘜W(xué)方法如化學(xué)氣相沉積是反應(yīng)物質(zhì)在高溫、氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面,進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。dato等(datoa,radmilovicv,leez,etal.substrate-freegas-phasesynthesisofgraphenesheets.nanoletters,2008,8(7):2012-2016.)報(bào)道了一種新型等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法,乙醇液滴作為碳源,利用ar等離子體合成石墨烯,極大地縮短了反應(yīng)時(shí)間，但是cvd生長需要高溫真空環(huán)境，對于制造成本要求較高。coleman等(hernandezy,nicolosiv,lotyam,etal.high-yieldproductionofgraphenebyliquid-phaseexfoliationofgraphite.naturenanotechnology,2008,3(9):563-568.)報(bào)道的液相剝離法以石墨為原料,將其分散在有機(jī)溶劑中,當(dāng)溶劑的表面能與石墨烯相當(dāng)時(shí),在超聲的作用下，利用流體的剪切力逐層平衡剝離石墨所需的能量,最終得到石墨烯。雖然該方法能得到單層或者多層的石墨烯,但合成產(chǎn)率不高。王士虎等(wangs.thefastfabricationofflexibleelectronicdevicesofgraphenecomposites.[j].nanotechnology,2016,27(31):31lt01.)基于韋森堡效應(yīng)一步式制備圖案化的石墨烯，但獲得石墨烯含量較低，而且和其他聚合物混合一體。石墨烯制造的研究雖已取得初步成效,但石墨烯的連續(xù)圖案化制造仍需進(jìn)一步研究，實(shí)現(xiàn)工藝簡單低成本和環(huán)境要求制造，成為亟待解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的石墨烯制造成本高、工藝復(fù)雜等缺陷，提供一種激光誘導(dǎo)沉積制造圖案化石墨烯的裝置。
本發(fā)明設(shè)有電紡直寫前驅(qū)體平臺、激光誘導(dǎo)石墨烯化平臺和接收沉積石墨烯平臺；所述電紡直寫前驅(qū)體平臺設(shè)有注射泵、注射器、直流電源；激光誘導(dǎo)石墨烯化平臺設(shè)有co2激光器和惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)；接收沉積石墨烯平臺設(shè)有收集板和二維運(yùn)動(dòng)平臺；所述注射器與注射泵連接，直流電源為注射器供電，co2激光器的光束聚焦在注射器的泰勒錐射流出口上，收集板設(shè)在二維運(yùn)動(dòng)平臺上并位于注射器的泰勒錐射流出口下方，惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)為接收沉積石墨烯平臺提供惰性氣體保護(hù)。
所述注射泵可采用精密注射泵。
所述直流電源可采用直流高壓電源。所述惰性氣體可采用氮?dú)獾取?/p>
所述co2激光器的波長可采用10.6μm。
本發(fā)明完成一種直寫均苯型高聚物溶液并通過激光在線誘導(dǎo)溶液石墨烯化，即將該溶液為工作前驅(qū)體，存儲在電紡直寫的注射器中，強(qiáng)電場作用下將高聚物油墨從流道出口拉伸形成微米級的泰勒錐射流，同時(shí)將激光光束聚焦在泰勒錐射流上。激光以其光子作用和熱效應(yīng)在高頻脈沖作用下破壞聚酰亞胺本體的c-n、c-o以及完成脫氫反應(yīng)，形成具有共軛腈基的苯環(huán)型化合物，石墨烯化是利用熱活化使熱力學(xué)不穩(wěn)定的碳原子實(shí)現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)的有序轉(zhuǎn)化，分子重組使得六角碳網(wǎng)層逐漸形成并生長，最終石墨烯在電場力的作用下沉積在運(yùn)動(dòng)平臺的接收板上，實(shí)現(xiàn)圖案化制造。該方法具有可連續(xù)制造、成本低、環(huán)境及設(shè)備要求低等優(yōu)勢。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
具體實(shí)施方式
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有電紡直寫前驅(qū)體平臺、激光誘導(dǎo)石墨烯化平臺和接收沉積石墨烯平臺；所述電紡直寫前驅(qū)體平臺設(shè)有注射泵1、注射器2、直流電源3；激光誘導(dǎo)石墨烯化平臺設(shè)有co2激光器4和惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)5；接收沉積石墨烯平臺設(shè)有收集板6和二維運(yùn)動(dòng)平臺7；所述注射器2與注射泵1連接，直流電源3為注射器2供電，co2激光器4的光束聚焦在注射器2的泰勒錐射流出口8上，收集板6設(shè)在二維運(yùn)動(dòng)平臺7上并位于注射器2的泰勒錐射流出口8下方，惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)5為接收沉積石墨烯平臺提供惰性氣體保護(hù)。
所述注射泵1采用精密注射泵。
所述直流電源3采用直流高壓電源，電壓<10kv。所述惰性氣體采用氮?dú)獾取?/p>
所述co2激光器4的波長采用10.6μm。
在圖1中，標(biāo)記9為圖案化石墨烯。
本發(fā)明實(shí)施例是以分子量30萬、濃度為20％的聚酰亞胺(polyimide)油墨作為工作流體，直流電源3的正極與注射器2針頭相連(針頭尺寸為：1～500μm)，針尖與收集板6之間的接收距離為：10μm～5mm，采用精密注射泵1進(jìn)行溶液的供給(供液塑速率為：10～500μh/h)當(dāng)墨水所受電場力超過其表面張力時(shí)，形成微米級的泰勒錐射流,將co2激光器4光束聚焦在泰勒錐射流上，co2激光器4的工作參數(shù)包括功率：1～30w，脈沖頻率：1～1000hz；占空比：1％～100％。高頻脈沖激光通過光子作用和熱效應(yīng)破壞聚酰亞胺本體的c-n、c-o以及完成脫氫反應(yīng)，形成具有共軛腈基的苯環(huán)型化合物，石墨烯化是利用熱活化能使熱力學(xué)不穩(wěn)定的碳原子實(shí)現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)的有序轉(zhuǎn)化，分子重組使得六角碳網(wǎng)層逐漸形成并生長，最終石墨烯圖案化沉積在運(yùn)動(dòng)平臺的接收板上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有環(huán)境要求低、工藝簡單、制造成本低、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)制造等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明以均苯型高聚物溶液為工作流體，通過電紡直寫的方式，在高壓電場的作用下將高聚物油墨從流道出口拉伸形成微米級的泰勒錐射流，然后將激光光束聚焦在射流上。激光以其光子作用和熱效應(yīng)在高頻脈沖作用下破壞聚酰亞胺本體的碳原子實(shí)現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)有序轉(zhuǎn)化，分子重組形成使得六角碳網(wǎng)層逐漸形成并生長，生成的石墨烯在電場力的作用下沉積在運(yùn)動(dòng)平臺接收板上，獲得任意結(jié)構(gòu)的石墨烯圖案。