專利名稱：一種具有邊界選擇性的裁剪石墨烯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 石墨烯的裁剪技術(shù)，具體為一種通過非金屬的氧化硅納米粒子對石 墨烯進(jìn)行邊界選擇性裁剪的新方法，適用于對單層、少層石墨烯或高定向熱解石墨表面 進(jìn)行選擇性裁剪或刻蝕，以實現(xiàn)其在未來納電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
石墨烯(graphene)是指緊密堆積成二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的單層碳原子，它是構(gòu)建其 它維數(shù)碳材料(如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨)的基本單元。由于超高載流 子遷移率、室溫亞微米尺度彈道輸運特性以及THz頻率操作特性，石墨烯基電子器件被 認(rèn)為是石墨烯最重要的潛在應(yīng)用之一，可望為碳基電場效應(yīng)和磁場效應(yīng)元器件帶來革命 性變化。然而，要真正實現(xiàn)石墨烯在納電子器件方面的應(yīng)用，最大的障礙是石墨烯的金 屬特性以及由此導(dǎo)致的泄漏電流。可喜的是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯窄到一定寬度時，電荷被限域于該準(zhǔn)一維體系 中，量子限域效應(yīng)會使其帶隙打開，因此石墨烯帶是實現(xiàn)石墨烯在納電子器件方面應(yīng)用 的最直接的解決方案。早期的研究結(jié)果表明，石墨烯帶的電子結(jié)構(gòu)與其寬度和邊界構(gòu)型 緊密相關(guān)鋸齒形邊界的石墨烯帶具有金屬屬性，而扶手椅形邊界的石墨烯帶根據(jù)其寬 度不同可以表現(xiàn)為金屬或半導(dǎo)體屬性。最近人們發(fā)現(xiàn)，量子限域和邊界效應(yīng)會使寬度小 于IOnm的石墨烯帶全部表現(xiàn)為半導(dǎo)體屬性，并且由其制備的場效應(yīng)晶體管在室溫下具有 大的開關(guān)比和導(dǎo)通電流密度。由于單壁碳納米管1/3為金屬屬性，2/3為半導(dǎo)體屬性，所 以窄的石墨烯帶在納電子器件方面較碳納米管可能更有優(yōu)勢。此外，石墨烯帶還具有其 他與結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的新奇物理特性，如電場下或邊界摻雜的鋸齒形石墨烯帶表現(xiàn)為半金 屬屬性，而扶手椅形石墨烯帶具有增強的激子效應(yīng)，這為其在自旋電子器件和光電器件 方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。而具有規(guī)則形狀的石墨烯納米點(量子點)，由于其較少的原子 數(shù)目，早已經(jīng)成為理論計算的模型，為研究石墨烯自旋電子學(xué)和克萊因佯謬提供了理想 的實驗平臺。例如，理論研究表明具有鋸齒形邊界的三角形和六邊形石墨烯量子點可表 現(xiàn)出奇特的磁學(xué)性能。因此，寬度、邊界不同且邊界光滑的石墨烯帶以及具有規(guī)則形狀 的石墨烯量子點的制備是對石墨烯帶和石墨烯量子點物性調(diào)控和開展應(yīng)用探索的前提和 保障。目前，制備石墨烯帶的方法主要有光刻法、自組裝法、掃描探針刻蝕法、化學(xué) 法以及金屬納米粒子剪切法。其中，利用光刻技術(shù)只能得到寬度在20nm以上的石墨烯 帶，并且邊界不規(guī)整；而由于受溶解性以及分子尺寸增大導(dǎo)致的副反應(yīng)的限制，目前基 于耦聯(lián)反應(yīng)的自組裝方法制備的石墨烯帶的長度太短，小于12nm;掃描探針刻蝕法雖然 可以在一定程度上實現(xiàn)石墨烯帶的控制制備，但該方法效率較低，而且邊界不光滑；利 用超聲波和熱氣泡裁剪石墨烯的化學(xué)法，可以制備出寬度小于IOnm石墨烯帶，然而其邊 界官能化嚴(yán)重，寬度也難以控制。金屬納米粒子剪切法是在適當(dāng)氣氛下，通過金屬納米 粒子的催化作用刻蝕石墨烯，從而得到石墨烯帶和石墨烯量子點。該方法得到的石墨烯帶和量子點的邊界較光滑且無官能化，但是裁剪后殘留在石墨烯表面的金屬納米粒子會 不可避免地影響其進(jìn)一步的物性研究和應(yīng)用，特別是金屬污染物的存在與目前的半導(dǎo)體 工藝不相容，因此限制了其在未來納電子器件方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用非金屬的氧化硅納米粒子裁剪單層和少層石墨 烯的新方法，裁剪的產(chǎn)物具有規(guī)則形狀，選擇性的邊界取向和原子級的邊界規(guī)整度。非 金屬裁剪不會引入金屬污染，因此可作為一種適于半導(dǎo)體工業(yè)中制作石墨烯納米帶、異 質(zhì)結(jié)或規(guī)則形狀的石墨烯量子點的理想方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提供了一種通過非金屬的氧化硅納米粒子對單層或少層石墨烯進(jìn)行選擇 性裁剪的新方法，該方法采用非金屬的氧化硅納米粒子，在較高溫度和氫氣氣氛下，利 用納米粒子與不同邊界取向的石墨烯邊界間相互作用力的不同，在氧化硅納米粒子的輔 助催化作用下通過石墨烯的氫化反應(yīng)，氧化硅納米粒子從石墨烯邊界處對其進(jìn)行選擇性 裁剪，裁剪石墨烯得到的產(chǎn)物為具有規(guī)則形狀且邊界規(guī)整的石墨烯納米帶、異質(zhì)結(jié)或量 子點，所得石墨烯帶寬度、異質(zhì)結(jié)寬度或石墨烯量子點尺寸為納米級，且邊界具原子級 規(guī)整度。其中單層和少層石墨烯采用微機械剝離高定向熱解石墨或天然石墨的方法， 直接將其剝離和轉(zhuǎn)移到帶有10 IOOOnm厚度氧化層的硅片表面，石墨烯為單層和少層 (本發(fā)明中，少層是指<10層)。本發(fā)明中氧化硅納米粒子(即二氧化硅納米粒子)，由硅片在高溫下原位形成， 或利用濺射方法制備、溶膠凝膠方法合成，顆粒尺寸為1 lOOOnm。本發(fā)明中對石墨烯進(jìn)行裁剪的溫度為600 1200°C，優(yōu)選為850 1100°C。本發(fā)明中對石墨烯進(jìn)行裁剪的氣氛為純氫氣，或氫氣與惰性氣體(氬氣或氦氣) 的混合氣氛，或氫氣與氮氣的混合氣氛，氫氣與惰性氣體或氮氣的體積比 10(優(yōu)選 為210 1)，氣體流量為10 1000sccm(優(yōu)選為20 500sccm)。本發(fā)明中裁剪石墨烯得到的產(chǎn)物為具有規(guī)則形狀且邊界規(guī)整的石墨烯納米帶、 異質(zhì)結(jié)或量子點，石墨烯帶寬度、異質(zhì)結(jié)或石墨烯量子點尺寸為納米級，不含金屬污 染，并且裁剪的邊界取向與粒子尺寸有關(guān)，較小粒子(Inm 50nm)裁剪獲得的邊界大多 (85%以上)為扶手椅形，而較大粒子(IOOnm 500nm)裁剪獲得的邊界取向大多(85% 以上)為鋸齒形。本發(fā)明同樣適用于對高定向熱解石墨或天然石墨表面的規(guī)則性刻蝕，可以在其 表面獲得具有規(guī)則形狀且邊界規(guī)整的石墨烯納米帶、納米片或量子點圖案。本發(fā)明中，所述的高定向熱解石墨的橫向晶粒尺寸為10 μ m 10mm，鑲嵌度為 0.2 5.0°。本發(fā)明中，所述的天然石墨的橫向晶粒尺寸為ΙΟμιη 500μιη，純度為 >99wt%。本發(fā)明中，石墨烯的氫化反應(yīng)是指在氧化硅納米粒子的催化作用下，石墨烯中 的部分碳原子與氫氣反應(yīng)生成甲烷等含碳?xì)怏w的反應(yīng)。本發(fā)明的特點及有益效果是
1.本發(fā)明采用硅/氧化硅基片在加熱時原位產(chǎn)生的或者外加的氧化硅納米粒子， 在較高的溫度和含有氫氣的氣氛下，使納米粒子沿石墨烯特定的邊界取向運動來裁剪石
墨煉。
2.本發(fā)明對石墨烯進(jìn)行選擇性裁剪的是非金屬的氧化硅納米粒子，對裁剪后的 規(guī)則石墨烯圖案不會引入金屬污染，與現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體技術(shù)相兼容，可以很好地應(yīng)用在 半導(dǎo)體工業(yè)上。3.本發(fā)明裁剪石墨烯的產(chǎn)物具有規(guī)則形狀，為石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)或石墨烯量子 點，并且邊界具原子級規(guī)整度，可有效減少邊界對電子的散射；此外，可以通過改變納 米粒子尺寸實現(xiàn)對其邊界取向的控制。4.本發(fā)明裁剪石墨烯獲得的石墨烯帶寬度、異質(zhì)結(jié)寬度或石墨烯量子點尺寸為 納米級，可裁剪得到寬度小于10納米的石墨烯帶，可直接應(yīng)用于半導(dǎo)體器件。5.本發(fā)明工藝流程簡單，操作容易，成本低，可有望規(guī)?；a(chǎn)和制備復(fù)雜電 路。總之，在高溫和含有氫氣的氣氛下，通過非金屬納米粒子的輔助催化作用，可 以實現(xiàn)對單層和少層石墨烯邊界的選擇性裁剪，獲得納米尺度、邊界光滑的石墨烯納米 帶、異質(zhì)結(jié)和納米點，為實現(xiàn)石墨烯在未來納電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。


圖1.氧化硅納米粒子裁剪的少層石墨烯。其中，(a)為裁剪10分鐘所得到的少 層石墨烯的原子力照片；(b)為沿圖(a)中1線部分得到的高度圖，可以看到納米粒子的 刻蝕深度可達(dá)基體表面；(c)為沿圖(a)中2線部分得到的高度圖，可以看到納米粒子的 尺寸大約為30nm; (d)納米粒子刻蝕所得到的溝壑的原子力照片，可見其邊界規(guī)整，寬 度小于30nm。圖2.氧化硅納米粒子刻蝕高定向熱解石墨的結(jié)果。其中，(a)為刻蝕后高定向 熱解石墨表面的掃描電鏡照片；(b)為刻蝕后高定向熱解石墨烯表面的原子力照片；(C) 為圖(b)中沿3線部分的高度圖，可見其刻蝕深度約為3nm。圖3.氧化硅納米粒子裁剪少層石墨烯的典型結(jié)果。其中，(a)為氧化硅納米粒 子裁剪少層石墨烯得到的產(chǎn)物的掃描電鏡照片，可見所得產(chǎn)物為具有規(guī)則形狀的納米結(jié) 構(gòu)；(b)為圖ω中溝壑邊界取向的統(tǒng)計結(jié)果，可見95%以上的邊界具有相同的邊界取 向。圖4.氧化硅納米粒子裁剪少層石墨烯的典型結(jié)果。其中，(a)、(b)為氧化硅納 米粒子裁剪少層石墨烯得到的產(chǎn)物的掃描電鏡照片，(c)為氧化硅納米粒子裁剪少層石墨 烯得到的產(chǎn)物的原子力顯微鏡照片。其中，箭頭所指為裁剪得到的石墨烯納米帶。圖5.小尺寸氧化硅納米粒子裁剪少層石墨烯的典型結(jié)果。其中，(a)為氧化硅 納米粒子裁剪少層石墨烯得到的產(chǎn)物的原子力顯微鏡照片；(a)圖下方的曲線(b)為沿圖 (a)中4線部分的高度圖；(c)為氧化硅納米粒子裁剪少層石墨烯得到的產(chǎn)物的STM照 片；(d)、(e)分別為對應(yīng)于圖(c)中遠(yuǎn)離溝壑和近溝壑處的高倍STM照片。從STM結(jié) 果可以看出，小尺寸納米粒子得到的邊界具原子級規(guī)整度，并且為扶手椅取向。
具體實施例方式實施例1用微機械剝離法[微機械剝離方法”請參見文獻(xiàn)Novoselov，K.S. ； Geim, A.K. ； Morozov, S.V. ； Jiang, D. ； Zhang, Y. ； Dubonos, S.V. ； Grigorieva, I.V.； Firsov, A.A.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.Science 2004, 306, 666-669.]在覆蓋有280nm氧化硅的硅片上制取單層石墨烯(厚度約為0.35nm)。室溫下 將硅片放入管式爐中，用大氣流量felOOsccm，本實施例中為200SCCm)的氫氣排除管中 的空氣(時間MOmin，本實施例中為15分鐘)；然后，將氫氣的流量改為40SCCm，以 350C /min的加熱速率將管式爐加熱至900°C，并在900°C下保持IOmin以上(本實施例為 15min)；反應(yīng)完畢后，待爐溫降至500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量的氬氣(本實施 例中50SCCm)，以防止空氣倒吸；等到爐溫降至100°C以下時，取出硅片觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，納米粒子對單層石墨烯進(jìn)行了選擇性裁 剪，獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和量子點。STM研究結(jié)果表明， 80%以上溝壑寬度小于30nm，95%以上具有扶手椅型邊界。實施例2與實施例1不同之處在于用微機械剝離法在覆蓋有280nm氧化硅的硅片上制取少層石墨烯(本實施例 中，石墨烯為2 10層，厚度約為0.7 3.4nm)。室溫下將硅片放入管式爐中，用大氣 流量felOOsccm，本實施例中為200SCCm)的氫氣排除管中的空氣(時間MOmin，本實施 例中為15分鐘)；然后，將氫氣的流量改為40SCCm，以35°C/min的加熱速率將管式爐 加熱至900°C，并在900°C下保持IOmin以上(本實施例為15min)；反應(yīng)完畢后，待爐溫 降至500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量的氬氣(本實施例中50SCCm)，以防止空氣倒 吸；等到爐溫降至100°C以下時，取出硅片觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，納米粒子對少層石墨烯進(jìn)行了選擇性裁 剪，獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和量子點。STM研究結(jié)果表明， 85%以上溝壑寬度小于30nm，95%以上具有扶手椅型邊界。實施例3與實施例1不同之處在于用微機械剝離法在覆蓋有280nm氧化硅的硅片上制取單層石墨烯(厚度約為 0.35nm)。室溫下將硅片放入管式爐中，用大氣流量felOOsccm，本實施例中為500SCCm) 的氫氣排除管中的空氣(時間MOmin，本實施例中為10分鐘)；然后，將氫氣的流量改 為80SCCm，以35°C /min的加熱速率將管式爐加熱至900°C，并在900°C下保持IOmin以 上(本實施例為25min)；反應(yīng)完畢后，待爐溫降至500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量 的氬氣(本實施例中50SCCm)，以防止空氣倒吸；等到爐溫降至100°C以下時，取出硅片 觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，納米粒子對單層石墨烯進(jìn)行了選擇性戰(zhàn) 剪，獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和量子點。STM研究結(jié)果表明， 80%以上溝壑寬度小于30nm，90%以上具有扶手椅型邊界。 實施例4
與實施例1不同之處在于用微機械剝離法在覆蓋有IOOnm氧化硅的硅片上制取單層石墨烯(厚度約為 0.35nm)。室溫下將硅片放入管式爐中，用大氣流量felOOsccm，本實施例中為200SCCm) 的氫氣排除管中的空氣(時間MOmin，本實施例中為15分鐘)；然后，將氫氣的流量改 為80SCCm，以35°C /min的加熱速率將管式爐加熱至850°C，并在850°C下保持IOmin以 上(本實施例為30min)；反應(yīng)完畢后，待爐溫降至500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量 的氬氣(本實施例中50SCCm)，以防止空氣倒吸；等到爐溫降至100°C以下時，取出硅片 觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，納米粒子對單層石墨烯進(jìn)行了選擇性裁 剪，獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和量子點。STM研究結(jié)果表明， 85%以上溝壑寬度小于30nm，95%以上具有扶手椅型邊界。實施例5與實施例1不同之處在于 用微機械剝離法在覆蓋有500nm氧化硅的硅片上制取單層石墨烯(厚度約為 0.35nm)。室溫下將硅片放入管式爐中，用大氣流量felOOsccm，本實施例中為200SCCm) 的氫氣排除管中的空氣(時間MOmin，本實施例中為20分鐘)；然后，將氫氣的流量改 為20sccm，以35°C /min的加熱速率將管式爐加熱至1000°C，并在1000°C下保持IOmin ； 反應(yīng)完畢后，待爐溫降至500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量的氬氣(本實施例中 50sccm),以防止空氣倒吸；等到爐溫降至100°C以下時，取出硅片觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，納米粒子對單層石墨烯進(jìn)行了選擇性裁 剪，獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和量子點。STM研究結(jié)果表明， 70%以上溝壑寬度小于30nm，85%以上具有扶手椅型邊界。實施例6與實施例1不同之處在于將帶有氧化硅納米粒子(尺寸10 50nm)的溶液滴在高定向熱解石墨的表面 (本實施例中，高定向熱解石墨的橫向晶粒尺寸約1mm，鑲嵌度為0.3° )。室溫下將 高定向熱解石墨放入管式爐中，用大氣流量felOOsccm，本實施例中為200SCCm)的氫 氣排除管中的空氣(時間MOmin，本實施例中為15分鐘)；然后，將氫氣的流量改為 40sccm，以35°C /min的加熱速率將管式爐加熱至900°C，并在900°C下保持IOmin ； 反應(yīng)完畢后，待爐溫降至500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量的氬氣(本實施例中 50sccm),以防止空氣倒吸；等到爐溫降至100°C以下時，取出高定向熱解石墨觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，納米粒子對高定向熱解石墨進(jìn)行了選擇性 刻蝕，在其表面獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和量子點等納米結(jié)構(gòu)， STM結(jié)構(gòu)表明95%以上邊界為扶手椅型。實施例7與實施例1不同之處在于將帶有氧化硅納米粒子(尺寸10 50nm)的溶液滴在天然石墨(本實施例中， 天然石墨的橫向晶粒尺寸約為100 μ m，純度沖9wt%)的表面。室溫下將天然石墨放入 管式爐中，用大氣流量felOOsccm，本實施例中為300SCCm)的氫氣排除管中的空氣(時間2lOmin，本實施例中為IO分鐘)；然后，將氫氣的流量改為40SCCm，以35°C/min 的加熱速率將管式爐加熱至90(TC，并在90(TC下保持IOmin ；反應(yīng)完畢后，待爐溫降至 500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量的氬氣(本實施例中50SCCm)，以防止空氣倒吸； 等到爐溫降至100°C以下時，取出高定向熱解石墨觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，納米粒子對高定向熱解石墨進(jìn)行了選擇性 刻蝕，在其表面獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和量子點等納米結(jié)構(gòu)， STM結(jié)構(gòu)表明95%以上邊界為扶手椅型。實施例8與實施例1不同之處在于將帶有氧化硅納米粒子(尺寸200 500nm)的溶液滴在高定向熱解石墨的表 面(本實施例中，高定向熱解石墨的橫向晶粒尺寸約為1mm，鑲嵌度約為0.3° )。室 溫下將高定向熱解石墨放入管式爐中，用大氣流量felOOsccm，本實施例中為200SCCm) 的氫氣排除管中的空氣(時間MOmin，本實施例中為15分鐘)；然后，將氫氣的流量改 為40sccm，以35°C/min的加熱速率將管式爐加熱至900°C，并在900°C下保持IOmin ； 反應(yīng)完畢后，待爐溫降至500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量的氬氣(本實施例中 50sccm),以防止空氣倒吸；等到爐溫降至100°C以下時，取出高定向熱解石墨觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，納米粒子對高定向熱解石墨進(jìn)行了選擇性 刻蝕，在其表面獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和量子點等納米結(jié)構(gòu)， STM結(jié)構(gòu)表明95%以上邊界為鋸齒型。實施例9與實施例1不同之處在于室溫下將一覆蓋有280nm氧化硅的硅片與高定向熱解石墨放入管式爐中(本實 施例中，高定向熱解石墨的橫向晶粒尺寸約為1mm，鑲嵌度約為0.3° )，其中高定向熱 解石墨位于硅片下游(下游是指按氫氣流通方向來確定)，用大氣流量felOOsccm，本實 施例中為200SCCm)的氫氣排除管中的空氣(時間MOmin，本實施例中為15分鐘)；然 后，將氫氣的流量改為40SCCm，以35°C/min的加熱速率將管式爐加熱至900°C，并在 900°C下保持5min;反應(yīng)完畢后，待爐溫降至500°C以下時關(guān)閉氫氣，并開啟小流量的氬 氣(本實施例中50SCCm)，以防止空氣倒吸；等到爐溫降至100°C以下時，取出高定向熱 解石墨觀察。掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察表明，高溫下由硅片原位生成的納米粒子對高定 向熱解石墨進(jìn)行了選擇性刻蝕，在其表面獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整、邊界光滑的石墨烯帶、異質(zhì) 結(jié)和量子點等納米結(jié)構(gòu)，STM結(jié)構(gòu)表明95%以上邊界為扶手椅型。如圖1所示，從氧化硅納米粒子裁剪的少層石墨烯的結(jié)果可以看出，刻蝕后在 少層石墨烯表面形成了結(jié)構(gòu)規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)，納米粒子的刻蝕深度可達(dá)基體表面，并且 所得溝壑邊界規(guī)整。如圖2所示，從氧化硅納米粒子刻蝕高定向熱解石墨的結(jié)果可以看出，刻蝕后在高定向熱解石墨表面形成了結(jié)構(gòu)規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)，其刻蝕深度約為3nm。如圖3所示，從氧化硅納米粒子裁剪少層石墨烯的典型結(jié)果可以看出，刻蝕后 所得產(chǎn)物為具有規(guī)則形狀的納米結(jié)構(gòu)，并且(b)圖中溝壑邊界取向的統(tǒng)計結(jié)果表明95%以上的邊界具有相同的邊界取向。如圖4所示，從氧化硅納米粒子裁剪少層石墨烯的典型結(jié)果可以看出，利用氧化硅納米粒子刻蝕石墨烯可以得到大量邊界規(guī)整的石墨烯帶、異質(zhì)結(jié)和石墨烯量子點， 石墨烯帶的寬度和量子點的尺寸為納米級，其中石墨烯帶的寬度可小于lOnm。如圖5所示，從小尺寸氧化硅納米粒子裁剪少層石墨烯的典型結(jié)果可以看出， 小尺寸納米粒子裁剪得到的邊界具原子級規(guī)整度，并且為扶手椅取向。
權(quán)利要求
1.一種具有邊界選擇性的裁剪石墨烯的方法，其特征在于該方法采用非金屬的氧 化硅納米粒子，在600°C以上的較高溫度和含有氫氣的氣氛下，利用氧化硅納米粒子與不 同邊界取向的石墨烯邊界間相互作用力的不同，在氧化硅納米粒子的輔助催化作用下通 過石墨烯的氫化反應(yīng)，實現(xiàn)了氧化硅納米粒子對石墨烯的邊界選擇性裁剪，裁剪石墨烯 得到的產(chǎn)物為具有規(guī)則形狀且邊界規(guī)整的石墨烯納米帶、異質(zhì)結(jié)或量子點，所得石墨烯 帶寬度、異質(zhì)結(jié)寬度或石墨烯量子點尺寸為納米級，且邊界具原子級規(guī)整度。
2.按照權(quán)利要求1所述的具有邊界選擇性的裁剪石墨烯的方法，其特征在于所述 的石墨烯采用微機械剝離高定向熱解石墨或天然石墨的方法，直接將其剝離和轉(zhuǎn)移到帶 有10 IOOOnm厚度氧化層的硅片表面，石墨烯為單層或少層。
3.按照權(quán)利要求1所述的具有邊界選擇性的裁剪石墨烯的方法，其特征在于所 述的氧化硅納米粒子由硅片在高溫下原位生成，或利用濺射方法制備、溶膠凝膠方法合 成，其顆粒尺寸為1 lOOOnm。
4.按照權(quán)利要求1所述的具有邊界選擇性的裁剪石墨烯的方法，其特征在于采用 含有氫氣的氣氛進(jìn)行選擇性裁剪，含有氫氣的氣氛為純氫氣，或氫氣與惰性氣體的混合 氣氛，或氫氣與氮氣的混合氣氛，氫氣與惰性氣體或氮氣的體積比M 10，氣體流量為 10 lOOOsccm。
5.按照權(quán)利要求1所述的具有邊界選擇性的裁剪石墨烯的方法，其特征在于裁剪 石墨烯的溫度為600 1200°C。
6.按照權(quán)利要求1所述的具有邊界選擇性的裁剪石墨烯的方法，其特征在于裁剪 的石墨烯邊界取向與氧化硅納米粒子尺寸有關(guān)，通過改變氧化硅納米粒子尺寸調(diào)控產(chǎn)物 的邊界取向；當(dāng)氧化硅納米粒子在Inm 50nm時，裁剪獲得的邊界為扶手椅形；當(dāng)氧 化硅納米粒子在IOOnm 500nm時，裁剪獲得的邊界取向為鋸齒形。
全文摘要
本發(fā)明涉及石墨烯的裁剪技術(shù)，具體為一種具有邊界選擇性的裁剪石墨烯的方法。該方法采用硅/氧化硅基片在加熱時原位產(chǎn)生的或者外加的氧化硅納米粒子，在較高的溫度和含有氫氣的氣氛下，使納米粒子沿石墨烯特定的邊界取向運動來裁剪石墨烯。其中石墨烯通過微機械剝離法獲得，層數(shù)為單層或者少層；所用含有氫氣的氣氛為純氫氣或氫氣與惰性氣體或氮氣的混合氣氛。本發(fā)明利用納米粒子與不同邊界取向的石墨烯邊界間相互作用力的不同，在納米粒子的輔助催化作用下通過石墨烯的氫化反應(yīng)，實現(xiàn)了對石墨烯的邊界選擇性裁剪，所得石墨烯帶寬度、異質(zhì)結(jié)寬度和量子點尺寸為納米級，且邊界具原子級規(guī)整度，其取向與納米粒子的尺寸有關(guān)。
文檔編號B82B3/00GK102020240SQ200910187299
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者任文才, 劉碧錄, 吳忠?guī)? 成會明, 高力波 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所