一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法，具體步驟如下：配置氧化石墨烯分散液；選取兩塊絕緣電極板，平行放置，相背面制備導(dǎo)電電極，導(dǎo)電電極導(dǎo)線連接外部電壓；在所述的電極板之間注入氧化石墨烯分散液，靜置，使得溶液完好的浸潤電極板內(nèi)壁；隨后開啟外部電壓，控制所述電壓在兩塊絕緣電極板之間產(chǎn)生的場強小于介質(zhì)的擊穿場強而大于能夠使氧化石墨烯產(chǎn)生取向的最小場強；進行氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯片的重定向，完成氧化石墨烯片層的取向；在保持外部電壓開啟的情況下進行溶液揮發(fā)，使得氧化石墨烯干燥成膜；取下電極板，獲得自支持的垂直取向的氧化石墨烯薄膜。
【專利說明】
一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于先進半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是一種極具應(yīng)用前景的新型材料。其優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)有可能帶來多個行業(yè)的變革。作為石墨烯材料的一種最重要的變體，氧化石墨烯已經(jīng)先于石墨烯材料被發(fā)現(xiàn)和研究。近年來，相關(guān)于石墨烯研究的熱潮也進一步推動了對氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用的研究。最近的研究表明，氧化石墨烯實際上是一種含有多種官能團的石墨烯片。一般方法制備的氧化石墨烯，其層數(shù)可以為單層或者少層結(jié)構(gòu)，片層的大小為數(shù)微米或者數(shù)百納米。片層的邊緣或者內(nèi)部分布有羥基，羧基或者羰基等結(jié)構(gòu)?？梢灾?，除了碳元素，氧化石墨烯中實際上含有氧和氫元素。其中氧的含量僅次于碳，這也是其稱之為氧化石墨烯材料的原因。
[0003]最近的發(fā)現(xiàn)表明，氧化石墨烯具有多種優(yōu)異的特性?？赡鼙粦?yīng)用于不同的領(lǐng)域。 如，不同于高導(dǎo)電性的石墨烯材料，氧化石墨烯是優(yōu)良的電絕緣體，可以作為一種電介質(zhì)來使用。氧化石墨烯在多種溶液中分散時具有類似于液晶的性質(zhì)，具有旋光特性，其片層結(jié)構(gòu)在外電場的作用下可以發(fā)生轉(zhuǎn)向和重排。氧化石墨烯薄膜更是被發(fā)現(xiàn)具有特殊的過濾特性，其可以透過水氣，但是對其他氣體呈現(xiàn)不透的特性。其他氣體只有在水氣共存的情況下才有可能透過石墨烯薄膜。深入的研究表明，這來源于水分子在石墨烯片層中間的快速擴散特性，而這種快速擴散幾乎只對水分子成立。這一特性也啟迪了人們使用氧化石墨烯薄膜來進行海水過濾制造淡水的研究。
[0004]目前已經(jīng)有多種方法用于制備氧化石墨烯薄膜材料。比如，噴霧干燥法，即將氧化石墨烯分散液使用噴霧噴在物體表面，之后使其干燥成膜；自然干燥法，即將氧化石墨烯分散液放置在容器中后，將容器置于通風(fēng)干燥的環(huán)境使其自然干燥；L-B膜方法，也即使用L-B膜技術(shù)拉制薄膜；旋涂法，即將氧化石墨烯分散液旋涂在襯底表面使其成膜。這些方法都使用溶液為前驅(qū)體，其基本原理是將前驅(qū)體溶液制備于襯底表面后使溶劑蒸發(fā)干燥成膜。使用這一方法制備的薄膜中，石墨烯片層結(jié)構(gòu)與襯底表面平行，薄膜的表面實際上呈現(xiàn)為具有空洞的平面。最表面的石墨烯片層之間為孔洞結(jié)構(gòu)。所以，石墨烯薄膜表面的空洞所占面積會遠小于薄膜的表面積。這種結(jié)構(gòu)不利于水分子的擴散和穿過石墨烯薄膜。要獲得優(yōu)良的過濾特性，需要石墨烯片層具有垂直于薄膜表面的取向，這種情況下可以大大增加薄膜表面的有效面積。另外，獲得這種結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)后，使用化學(xué)還原的方法可以制備不含有氧官能團的石墨烯薄膜。這種石墨烯薄膜也具有其他優(yōu)良的用途。
[0005]為了制備這種垂直取向的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)，目前少數(shù)研究小組進行了研究，比如，韓國的Yeoheung Yoon等人將平行取向的氧化石墨烯薄膜圈起來后再沿著垂直于原薄膜表面的方向切割，制備成垂直取向的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)較為緊密，但是在卷起的薄膜各層間存在明顯較大的縫隙?？上攵?，在切割過程中可能也浪費較多的薄膜材料，所以其產(chǎn)率可能受到限制。中國中山大學(xué)的Yu Zhang等人使用物理汽相淀積的方式制備了垂直取向生長的石墨烯薄膜。薄膜具有明顯的垂直取向，但是石墨烯片層之間具有很大的縫隙，膜層結(jié)構(gòu)不太緊密，可能會限制其相關(guān)方面的用途?？梢钥吹?，為了制備垂直取向的石墨烯或者氧化石墨烯結(jié)構(gòu)名研究人員嘗試了一些不同的方法，但是所制備得到的薄膜結(jié)構(gòu)仍然需要進一步改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對以上技術(shù)問題，本發(fā)明提出使用高壓電場定向排列溶液分散的氧化石墨烯片，結(jié)合溶劑抽取的方法制備垂直取向的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)。利用氧化石墨烯的液晶特性，使其按照外電場方向排列，在保持外電場的情況下將溶劑去除，獲得垂直取向的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法，具體步驟如下:
[0008](I)配置氧化石墨烯分散液；
[0009](2)選取兩塊絕緣電極板，平行放置，相背面制備導(dǎo)電電極，導(dǎo)電電極導(dǎo)線連接外部電壓；
[0010](3)在步驟(2)所述的絕緣電極板之間注入氧化石墨烯分散液，靜置，使得溶液完好的浸潤電極板內(nèi)壁；隨后開啟外部電壓，控制所述電壓在兩塊絕緣電極板之間產(chǎn)生的場強小于介質(zhì)的擊穿場強而大于能夠使氧化石墨烯產(chǎn)生取向的最小場強；進行氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯片的重定向，完成氧化石墨烯片層的取向；
[0011](4)在保持外部電壓開啟的情況下進行溶液揮發(fā)，使得氧化石墨烯干燥成膜；
[0012](5)取下電極板，獲得自支持的垂直取向的氧化石墨烯薄膜。
[0013]進一步的，所述氧化石墨烯分散液的溶劑為水、乙醇、苯、甲苯、環(huán)己烷、二甲基亞砜、環(huán)戊酮、環(huán)己酮、氯仿中的一種或者兩種以上的結(jié)合。采用上述溶劑可以良好的分散氧化石墨烯，能夠獲得比較穩(wěn)定的氧化石墨烯分散液。
[0014]進一步的，步驟(4)中氧化石墨烯干燥成膜采用冷凍干燥、真空干燥或者加熱干燥。不破壞電場下已經(jīng)取向好的氧化石墨烯片結(jié)構(gòu)。
[0015]進一步的，所述兩絕緣電極板中的一個為需制備氧化石墨烯薄膜的襯底，待氧化石墨烯干燥成膜后，取下非襯底的電極極板，獲得在襯底上的垂直取向的氧化石墨烯薄膜。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017]使用本方法可以獲得質(zhì)量較高的垂直取向的氧化石墨烯薄膜。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0018]1、本發(fā)明的主要優(yōu)點在于:采用高壓電場定向排列溶液分散的氧化石墨烯片，結(jié)合溶劑抽取的方法制備垂直取向的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)。利用氧化石墨烯的液晶特性，使其按照外電場方向排列，在保持外電場的情況下將溶劑去除，獲得垂直取向的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)。
[0019]2、本方法可以大面積制備；
[0020]3、本方法可以直接在襯底上制備；
[0021]4、本方法比較靈活。薄膜的厚度，可以通過兩極板的距離簡單的調(diào)節(jié)。薄膜的致密度可以通過氧化石墨烯分散液的濃度調(diào)節(jié)；薄膜中氧化石墨烯片層的取向度可以通過所施加的電壓的大小來調(diào)節(jié)；
[0022]5、本方法成本較低，所加的高壓只提供電場，其電流可以忽略，所以能耗低。本發(fā)明所使用的兩極板可以重復(fù)使用；
[0023]6、使用本方法可以制備自支撐的薄膜，薄膜可以取下用于所需的應(yīng)用場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1:兩極板中間夾有氧化石墨烯分散液的結(jié)構(gòu)。其中1，5分別為上下極板的電極；2，4分別為上下極板，3為夾在極板中間的氧化石墨烯分散液；
[0025]圖2:為施加外電場后氧化石墨烯片層隨外電場進行取向的情況。其中6為所施加外電場的連接端，7為施加外電場后產(chǎn)生取向的氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)；
[0026]圖3:為將溶劑揮發(fā)后留下的垂直取向的氧化石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)。其中8指示干燥后的垂直取向的氧化石墨烯薄膜；
[0027]圖4:將上下電極板分離后的自支持結(jié)構(gòu)的垂直取向的氧化石墨烯薄膜；
[0028]圖5:將垂直取向的氧化石墨烯薄膜直接制備在襯底上形成的結(jié)構(gòu)。

【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合實施例和說明書附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0030]實施例1:
[0031]1.使用兩片厚度為500微米的玻璃片，玻璃片尺寸為5厘米*5厘米。使用直流濺射的方法在玻璃片的一面制備鋁薄膜電極，鋁薄膜厚度I微米。其中，導(dǎo)電電極的制備為常規(guī)手段，滿足導(dǎo)電性和耐受電壓即可，玻璃片尺寸可根據(jù)具體需求調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)大面積制備。
[0032]2.將兩制備有電極的玻璃片面對面平行放置，鋁電極薄膜朝外，控制上下電極板之間的間距為10微米。如圖1所示。其中，薄膜的厚度，可以根據(jù)具體需求，通過兩極板的距離簡單的調(diào)節(jié)。
[0033]3.使用濃度為0.2mg/ml的氧化石墨烯水溶液，利用毛細作用將氧化石墨烯水溶液吸入兩電極板間，靜置5分鐘，待氧化石墨烯水溶液良好的和上下電極板接觸。如圖2所示。其中，薄膜的致密度可以通過氧化石墨烯分散液的濃度調(diào)節(jié)，一般選取的氧化石墨烯水溶液的濃度在0.1-100毫克/毫升；根據(jù)濃度的不同，和制備環(huán)境等條件的不同，靜置時間會有所變化，一般在ι-?ο分鐘內(nèi)，保證氧化石墨烯水溶液良好的和上下電極板接觸即可。
[0034]4.將鋁薄膜電極與外部高壓相聯(lián)接，電壓源設(shè)定為2千伏，接通電壓源，進行氧化石墨烯的取向化，取向化時間2分鐘。其中，薄膜中氧化石墨烯片層的取向度可以通過所施加的電壓的大小來調(diào)節(jié)，施加此電壓時需控制此電壓在絕緣板之間產(chǎn)生的場強小于介質(zhì)的擊穿場強而大于能夠使氧化石墨烯產(chǎn)生取向的最小場強。一般而言，此場強大于0.2伏/微米。而取向化時間則根據(jù)電壓大小和溶液濃度等變化有所變化，一般在經(jīng)過1-20分鐘后完成氧化石墨烯片層的取向。
[0035]5.將夾有取向化氧化石墨烯的電極板放入冷凍干燥箱，關(guān)閉箱門，開啟冷凍干燥箱，設(shè)定冷凍溫度為-20攝氏度進行冷凍干燥成膜。如圖3所示。其中，溶液揮發(fā)干燥還可以使用其它方法，比如真空干燥，加熱干燥等等。不管是何種方法均應(yīng)控制在高電場下形成的具有垂直取向的氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)不被破壞。
[0036]6.冷凍干燥完成后，關(guān)閉外部高壓，取出樣品，卸下上下電極板，得到厚度為10微末的垂直取向氧化石墨烯薄膜。如圖4所示。
[0037]如若需要制備在襯底上的薄膜，則需要將襯底作為兩極板中的一極，待石氧化石墨烯薄膜干燥后取下對電極極板就可。如圖5所示。
[0038]且氧化石墨烯分散液的溶劑可以為水、乙醇、苯、甲苯、環(huán)己烷、二甲基亞砜、環(huán)戊酮、環(huán)己酮、氯仿中的一種或者兩種以上的結(jié)合。采用上述溶劑可以良好的分散氧化石墨烯，能夠獲得比較穩(wěn)定的氧化石墨烯分散液。
[0039]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認為本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。應(yīng)當指出:對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代、變型和改進，這些對本發(fā)明權(quán)利要求進行改進和等同替換后的技術(shù)方案，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法，其特征在于:具體步驟如下: (1)配置氧化石墨烯分散液； (2)選取兩塊絕緣電極板，平行放置，相背面制備導(dǎo)電電極，導(dǎo)電電極導(dǎo)線連接外部電壓； (3)在步驟(2)所述的絕緣電極板之間注入氧化石墨烯分散液，靜置，使得溶液完好的浸潤電極板內(nèi)壁；隨后開啟外部電壓，控制所述電壓在兩塊絕緣電極板之間產(chǎn)生的場強小于介質(zhì)的擊穿場強而大于能夠使氧化石墨烯產(chǎn)生取向的最小場強；進行氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯片的重定向，完成氧化石墨烯片層的取向； (4)在保持外部電壓開啟的情況下進行溶液揮發(fā)，使得氧化石墨烯干燥成膜； (5)取下電極板，獲得自支持的垂直取向的氧化石墨烯薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法，其特征在于:所述氧化石墨烯分散液的溶劑為水、乙醇、苯、甲苯、環(huán)己烷、二甲基亞砜、環(huán)戊酮、環(huán)己酮、氯仿中的一種或者兩種以上的結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法，其特征在于:步驟(4)中氧化石墨烯干燥成膜采用冷凍干燥、真空干燥或者加熱干燥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備垂直取向氧化石墨烯薄膜的方法，其特征在于:所述兩絕緣電極板中的一個為需制備氧化石墨烯薄膜的襯底，待氧化石墨烯干燥成膜后，取下非襯底的電極極板，獲得在襯底上的垂直取向的氧化石墨烯薄膜。
【文檔編號】C25D15/00GK104451828SQ201410650520
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】萬能, 董輝 申請人:東南大學(xué)