專利名稱：一種制備石墨烯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料領(lǐng)域，涉及一種石墨烯的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是一種新型的碳納米材料，是由碳原子構(gòu)成的以苯環(huán)為基本單元的具有二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的單原子層材料，是構(gòu)建其他維度碳質(zhì)材料(零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨)的基本單元。由于獨特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性能，石墨烯可望在高速晶體管、透明電極、太陽能電池、NEMS器件、復(fù)合材料、催化材料氣體傳感器及氣體存儲等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。因此，石墨烯迅速成為化學(xué)、材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域近年來的研究熱點，具有很強的開發(fā)和應(yīng)用價值。
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現(xiàn)在的石墨烯的制備方法很多，主要有如下幾種(1)微機械剝離，這種方法可制備微米大小的石墨烯，但是可控性差、產(chǎn)量低，可作為基礎(chǔ)研究；(2)外延生長，通過加熱SiC (0001)單晶表面外延生長石墨烯結(jié)構(gòu),這種擔(dān)載的石墨烯可通過光刻過程直接做成器件，但由于SiC晶體表面在高溫加熱過程中表面容易發(fā)生重構(gòu)，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以獲得大面積、厚度均一的石墨烯；(3)氧化還原，這個過程中需使用強氧化劑，這將破壞石墨烯平面碳骨架，產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致所得石墨烯導(dǎo)電性能下降；(4)化學(xué)氣相沉積法，此方法可以滿足規(guī)模化制備石墨烯的要求，但成本高，工藝復(fù)雜；(5)電解法，此方法可以合成大量的石墨烯，但是合成出的石墨烯的表面均帶有大量的正離子或負(fù)離子或有機物；(6)溶劑熱法，此方法合成的石墨烯純度較高，但是反應(yīng)時間相對較長，并且產(chǎn)率低。因此，如何簡單可控工業(yè)化生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯是目前研究的一大難點和熱點。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有制備石墨烯的方法不適應(yīng)于工業(yè)生產(chǎn)的情況，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種石墨烯的制備方法，這種方法簡單易操作，適宜于工業(yè)生產(chǎn)。制備的石墨烯具有很好的單層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的基本思路是將碳離子高能注入Ni薄膜中，再經(jīng)退火處理，而退火過程會發(fā)生兩個變化(I)碳原子在高溫時會溶解在Ni薄膜中(2)在高溫時當(dāng)Ni薄膜中碳原子飽和時，隨著溫度降低溶解度下降，碳會從Ni薄膜中析出到表面而重結(jié)晶，形成石墨烯，這個過程的驅(qū)動力就是飽和固溶度。本發(fā)明的技術(shù)方案是通過離子注入Ni薄膜后進(jìn)行熱處理的方法在Ni薄膜表面形成石墨烯，具體包括如下步驟
(1)將能量為40 80kV的碳離子注入到Ni薄膜中；
(2)將注入碳離子后的襯底在Ar和H2混合氣氛中升溫至800 1000°C，并保溫10 40min，碳原子在Ni襯底中溶解；(3)以0. 2 0. 5°C /s速度降溫至725°C后，打開爐蓋自然降至室溫，碳原子會析出到表面重結(jié)晶而形成石墨稀。本發(fā)明方案中，所述的Ni薄膜是通過磁控濺射在Si02/Si上生長的一層厚度為200nm的Ni薄膜。本發(fā)明中注入碳離子的劑量為4X IO15 I. 6X1016ions/cm2 ;
本發(fā)明中將注入碳后的襯底升溫至800 1000°C的時間是20 30min。本發(fā)明中退火是在Ar和H2混合氣氛中進(jìn)行，且H2濃度20vol%，流量保持在35 50sccm,氣壓保持在 800mTor;r。用于注入C離子的注入機可選用已用于工業(yè)生產(chǎn)的金屬蒸發(fā)多弧離子(MEVVA)注 入機。(MEVVA)源注入機的特點是束斑大并且均勻，束流較強(達(dá)mA)，可在短時間內(nèi)進(jìn)行高劑量的離子注入，因而大大降低了注入成本。本發(fā)明采用離子注入結(jié)合熱退火處理的方法制備石墨烯，具有以下幾種獨特優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在(I)離子注入可以精確地控制碳的注入劑量；(2)對退火爐的設(shè)備要求簡單，普通的退火爐就可以；(4)本發(fā)明方法整個過程簡單，僅僅需離子注入和熱退火處理兩個過程就可以；(5)可以控制熱處理條件來控制石墨烯的層數(shù)。


圖I實施例I制備的石墨烯的拉曼光譜圖片。圖2實施例2制備的石墨烯的拉曼光譜圖片。圖3實施例3制備的石墨烯的拉曼光譜圖片。圖4實施例4制備的石墨烯的拉曼光譜圖片。圖5實施例5制備的石墨烯的拉曼光譜圖片。
具體實施例方式I)將碳離子注入到Ni襯底中，注入能量為40 80kV，所注入的離子劑量4X IO15 I. 6X 1016ions/cm2,使得襯底中有足夠多的碳原子。2)將注入后的樣品置于退火爐中退火，退火是在氬氫保護(hù)氣體中進(jìn)行，防止表面被氧化。退火溫度800 1000°C，升溫時間20 30min，并在該溫度保溫10 40min，然后以0. 2 0. 5°C /s降至725°C后，打開爐蓋自然降至室溫。下面結(jié)合實施實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實施例I
將能量為40kV的碳離子注入Ni襯底中，注入劑量為I. 6X 1016ion/cm2。將樣品放入退火爐中，先抽真空至180mTorr，再通入氬氫混合氣體，流量40sccm，氣壓在800mTorr, 20min升溫至900°C,保溫30min,這個過程中就會有部分碳原子析出到表面。以0. 5°C/s降溫至725°C (降溫時間6min)，碳的固溶度降低，降溫過程中會析出足夠的碳而重結(jié)晶形成石墨烯，然后打開爐蓋自然降至室溫。對本實施例制備的樣品進(jìn)行分析，圖I是本實例制備的石墨烯的Raman光譜圖，圖中G峰位置 1580CHT1，2D峰的位置 2700CHT1，D峰的位置 1350CHT1，強度之比Ie/ID 3，說明本發(fā)明所得到的石墨烯缺陷少；〗％/% I. 5，而且2D峰為單峰具有很好的對稱性，說明本實例所制備的石墨烯為單層或雙層。實施例2
將能量為40kV的碳離子注入Ni襯底中，注入劑量為2. 4X 1016ion/cm2。將樣品放入退火爐中，先抽真空至180mTorr，再通入氬氫混合氣體，流量40sccm，氣壓在800mTorr, 20min升溫至900°C,保溫30min,這個過程中就會有部分碳原子析出到表面。以0. 5°C/s降溫至725°C (降溫時間6min)，碳的固溶度降低，降溫過程中會析出足夠的碳而重結(jié)晶形成石墨烯，然后打開爐蓋自然降至室溫。對本實施例制備的樣品進(jìn)行分析，圖2是本實例制備的石墨烯的Raman光譜圖，圖中G峰位置 1580CHT1，2D峰的位置 2720CHT1，D峰的位置 1350CHT1，強度之比Ie/ID 10，說明本發(fā)明所得到的石墨烯缺陷非常少，質(zhì)量高；I21ZItj 0. 5，且2D峰的位置相對于單層石墨烯的位置(2700cm—1)右移，說明此實施例中所制備的石墨烯為多層。實施例3
將能量為40kV的碳離子注入Ni襯底中，注入劑量為I. 6X 1016ion/cm2。將樣品放入退火爐中，先抽真空至180mTorr，再通入氬氫混合氣體，流量40sccm，氣壓在800mTorr, 20min升溫至900°C,保溫lOmin,這個過程中就會有部分碳原子析出到表面。以0. 5°C/s降溫至725°C (降溫時間6min)，碳的固溶度降低，降溫過程中會析出足夠的碳而重結(jié)晶形成石墨烯，然后打開爐蓋自然降至室溫。對本實施例制備的樣品進(jìn)行分析，圖3是本實例制備的石墨烯的Raman光譜圖，圖中G峰位置 1580CHT1，2D峰的位置 2710CHT1，D峰的位置 1350CHT1，強度之比Ie/ID 6，說明本發(fā)明所得到的石墨烯缺陷少，質(zhì)量高；、/% 0. 6，且2D峰的位置相對于單層石墨烯的位置(2700cm—1)右移，說明此實施例中所制備的石墨烯為多層。實施例4
將能量為40kV的碳離子注入Ni襯底中，注入劑量為I. 6X 1016ion/cm2。將樣品放入退火爐中，先抽真空至180mTorr，再通入氬氫混合氣體，流量40sccm，氣壓在800mTorr, 20min升溫至900°C,保溫30min,這個過程中就會有部分碳原子析出到表面。以0. 2°C/s降溫至725°C (降溫時間6min)，碳的固溶度降低，降溫過程中會析出足夠的碳而重結(jié)晶形成石墨烯，然后打開爐蓋自然降至室溫。對本實施例制備的樣品進(jìn)行分析，圖4是本實例制備的石墨烯的Raman光譜圖，圖中G峰位置 1580CHT1，2D峰的位置 2730CHT1，無D峰，說明石墨烯無缺陷，質(zhì)量非常高；I2D/IG 0. 5，且2D峰的位置相對于單層石墨烯的位置(2700CHT1)右移，說明該實施例中所制備石墨烯為多層。實施例5
將能量為40kV的碳離子注入Ni襯底中，注入劑量為2. 4X 1016ion/cm2。將樣品放入退火爐中，先抽真空至180mTorr，再通入氬氫混合氣體，流量40sccm，氣壓在800mTorr, 20min升溫至900°C,保溫lOmin,這個過程中就會有部分碳原子析出到表面。以0. 5°C/s降溫至725°C (降溫時間6min)，碳的固溶度降低，降溫過程中會析出足夠的碳而重結(jié)晶形成石墨烯，然后打開爐蓋自然降至室溫。對本實施例制備的樣品進(jìn)行分析，圖5是本實例制備的石墨烯的Raman光譜圖，圖中G峰位置 1580cm \ 2D峰的位置 2720cm 1, D峰的位置 1350cm 1, lG/Id 5,說明本發(fā)明所得到的石墨烯缺陷少，質(zhì)量高；I2D/Ie 0. 5，且2D峰的位置相對于單層石墨烯的位置(2700CHT1)右移，說明此實施例中所制備的石墨烯為多層。以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)。并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。·
權(quán)利要求
1.一種石墨烯的制備方法，其特征在于采用將碳離子注入Ni薄膜后進(jìn)行熱退火處理的方法在Ni薄膜表面形成石墨烯，具體包括如下步驟 (1)將能量為40 80kV的碳離子注入到Ni薄膜中； (2)將注入碳離子后的襯底在Ar和H2混合氣氛中升溫至800 1000°C，并保溫10 40min，碳原子在Ni襯底中溶解； (3)以0.2 0. 5°C /s速度降溫至725°C后，打開爐蓋自然降至室溫，碳原子會析出到表面重結(jié)晶而形成石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述的Ni薄膜是通過磁控濺射在Si02/Si上生長的一層厚度為200nm的Ni薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制備方法，其特征在于，注入碳離子的劑量為4XIO15 I.6X 1016ions/cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制備方法，其特征在于，將注入碳后的襯底升溫至800 1000°C的時間是20 30min。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制備方法，其特征在于，所述Ar和H2混合氣氛中，H2濃度20vol%，流量保持在35 50sccm，氣壓保持在800mTorr。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制備方法，其特征在于，用于注入C離子的注入機為金屬蒸發(fā)多弧離子注入機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨烯的制備方法。利用離子注入技術(shù)，將能量為40～80kV碳離子注入到通過磁控濺射在SiO2/Si襯底上生長一層厚度為200nm的Ni薄膜。通過調(diào)控注入離子劑量和退火工藝來制備石墨烯。注入劑量范圍為4×1015～2.4×1016ions/cm2,退火溫度為800～1000℃。本發(fā)明方法整個過程簡單，僅僅需離子注入和熱退火處理兩個過程就可以，有利于大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯。并且可以控制熱處理條件來控制石墨烯的層數(shù)。
文檔編號C01B31/04GK102963883SQ20121040306
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者肖湘衡, 應(yīng)見見, 戴志高, 任峰, 蔣昌忠 申請人:武漢大學(xué)