一種對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法
【專利摘要】本發明公開了一種對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，該方法是將機械剝離得到的石墨烯結合于目標基底上，然后將結合有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酯的至少一種之中，溶解石墨烯表面的殘膠，得到具有原子級清潔表面的石墨烯。本發明是在室溫下進行操作，溶解表面殘膠的同時，不引入額外的缺陷，極大地保持了石墨烯的初始性能，得到高質量的石墨烯；所述方法能循環使用有機溶劑，節約能源，是一種對環境污染小，而且滿足制備石墨烯場效應晶體管所需表面干凈石墨烯的方法。
【專利說明】一種對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米材料與【技術領域】，尤其是一種對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是單層或少數層高結晶性石墨，是由sp2碳原子組成的蜂窩狀二維平面結構。2004年,英國曼切斯特大學的Geim小組在機械剝離的高定向裂解石墨薄片樣品中發現了單層石墨烯的存在，并對其電學性質進行了研究，發現其載流子遷移率高達3000?10000cm/Vs之間。由于其獨特的結構，在短短幾年內石墨烯成了凝聚態物理和材料科學的重要研究對象和人們關注的焦點。
[0003]石墨烯的主要獲取方式有機械剝離法(膠帶粘貼法)、SiC外延生長法、還原氧化法和化學氣相沉積法(CVD法)等，利用機械剝離的方法可制備高品質的石墨烯材料。在實驗中發現，通過機械剝離法制得的石墨烯的載流子遷移率均超過ZOOOcm2V-1S-1,通過電流退火進行表面氣體脫附后，載流子遷移率可以達到25000(3!!^-1^,如果進一步去除石墨烯附著的襯底使其懸空，則載流子遷移率可以達到200000(^2^1^,這是已報道的半金屬材料中可以達到的最大值。而且，該遷移率在1K?100K的溫度范圍內都是不隨溫度變化。此方法的優點在于簡單快速便利，且制備出的石墨烯樣品晶格完整、無雜質缺陷，適合各種基礎實驗研究。
[0004]然而，通過機械剝離法得到的石墨烯，在石墨烯的表面殘留膠帶的粘合劑，導致石墨烯的電學、光學性能大大折扣。因此，一種能降低膠帶粘合劑殘留并且不引入額外缺陷的清潔方法顯得尤為重要。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，以去除機械剝離石墨烯表面的殘膠獲取原子級清潔表面。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為達到上述目的，本發明提供了一種對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，該方法是將機械剝離得到的石墨烯結合于目標基底上，然后將結合有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酯的至少一種之中，溶解石墨烯表面的殘膠，得到具有原子級清潔表面的石墨烯。
[0009]上述方案中，該方法具體包括如下步驟:
[0010]步驟1:將機械剝離得到的鱗片狀石墨烯平鋪于膠帶上反復對折，粘帖，使石墨烯均勻分布于膠帶；
[0011]步驟2:將步驟I獲得的樣品貼在目標基底上，并對目標基底不斷進行按壓或摩擦，然后去掉目標基底上的藍膜；
[0012]步驟3:將鋪展有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酷的至少一種之中，溶解石墨稀表面的殘I父，獲得鋪展有石墨稀的目標基底；
[0013]步驟4:對鋪有石墨烯的基底進行干燥處理，得到具有原子級清潔表面的石墨烯。
[0014]上述方案中，步驟I中所述膠帶是一種采用氯乙烯薄膜為基材，粘合劑為丙烯酸類，能夠在室外使用的金屬板用表面保護材料。
[0015]上述方案中，步驟2中所述目標基底為厚度為300nm的Si02/Si基底。步驟2中所述對目標基底不斷進行按壓或摩擦，是用手指對目標基底不斷進行按壓或者摩擦，時間為I分鐘-5分鐘。
[0016]上述方案中，步驟3中所述將鋪展有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酯的至少一種之中，時間為I小時-6小時，充分溶解殘膠后，轉移至去離子水中沖洗，沖洗次數為3次-5次。
[0017]上述方案中，步驟4中所述對鋪有石墨烯的基底進行干燥處理，干燥處理溫度為200C _60°C，并用氮氣吹干。
[0018]本發明還提供了一種由上述方法獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯，該具有原子級清潔表面的石墨烯，表面結構完整，表面起伏度小于0.4nm，為原子級平整表面。
[0019]本發明還提供了一種將由上述方法獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯用于制作石墨烯場效應晶體管或導電薄膜的方法。
[0020]本發明還提供了一種將由上述的方法獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯用作原子級平整基底以研究表界面的微觀過程的方法。
[0021](三)有益效果
[0022]本發明的優點在于，采用有機溶劑在室溫下對剝離石墨烯表面的殘膠進行處理，得到表面干凈無殘膠的具有原子級清潔表面的石墨烯。本發明的另一個優點在于，不引入額外的缺陷，石墨烯的結構得到較好的保持，得到的石墨烯質量高，是具有原子級清潔表面的石墨烯。
[0023]與現有技術比較，本發明具有如下特點:
[0024](I)本發明所使用的有機溶劑廉價，能循環使用，節約能源，且在石墨烯表面無殘留和吸附影響。
[0025](2)本發明所使用的膠帶spv-224/214藍膜，材料廉價，而且剝離石墨烯表面殘留少，方便使用有機溶劑去除表面殘膠。
[0026](3)本發明所處理的方式在室溫下進行，操作簡便，溶解表面殘膠的同時，不引入額外的缺陷，極大地保持了石墨烯的初始性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明提供的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法流程圖；
[0028]圖2為實施例1中機械剝離石墨烯清潔前的原子力顯微圖；
[0029]圖3為實施例1中機械剝離石墨烯清潔后的原子力顯微圖；
[0030]圖4為實施例1中機械剝離石墨烯清潔前后的拉曼譜圖；
[0031]圖5為實施例2是機械剝離石墨烯清潔前的原子力顯微圖；
[0032]圖6為實施例2中機械剝離石墨烯清潔后的原子力顯微圖；
[0033]圖7為實施例2中機械剝離石墨烯清潔前后的拉曼譜圖；
[0034]圖8為實施例3中機械剝離石墨烯清潔前的原子力顯微圖；
[0035]圖9為實施例3中機械剝離石墨烯清潔后的原子力顯微圖；
[0036]圖10為實施例3中機械剝離石墨烯清潔前后的拉曼譜圖。
【具體實施方式】
[0037]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。但本領域技術人員理解，本發明并不局限于此，任何在本發明的基礎上做出的改進和發明都在本發明保護范圍之內。
[0038]下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
[0039]本發明提供的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，選用有機溶劑作為殘膠去除劑，該有機溶劑選自四氫呋喃、甲苯、丁酮、乙酸乙酯中至少一種，優選四氫呋喃，四氫呋喃對表面殘膠(丙烯酸類粘合劑)具有良好的溶解性。本發明在室溫下進行操作，溶解表面殘膠的同時，不引入額外的缺陷，極大地保持了石墨烯的初始性能，得到高質量的石墨烯；所述方法能循環使用有機溶劑，節約能源，是一種對環境污染小，而且滿足制備石墨烯場效應晶體管所需表面干凈石墨烯的方法。
[0040]如圖1所示，圖1為本發明提供的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法流程圖，該方法是將機械剝離得到的石墨烯結合于目標基底上，然后將結合有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酯的至少一種之中，溶解石墨烯表面的殘膠，得到具有原子級清潔表面的石墨烯，該方法具體包括如下步驟:
[0041]步驟1:將機械剝離得到的鱗片狀石墨烯平鋪于膠帶上反復對折，粘帖，使石墨烯均勻分布于膠帶；
[0042]步驟2:將步驟I獲得的樣品貼在目標基底上，并對目標基底不斷進行按壓或摩擦，然后去掉目標基底上的藍膜；
[0043]步驟3:將鋪展有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酷的至少一種之中，溶解石墨稀表面的殘I父，獲得鋪展有石墨稀的目標基底；
[0044]步驟4:對鋪有石墨烯的基底進行干燥處理，得到具有原子級清潔表面的石墨烯。
[0045]在本發明一個實施例中，步驟I中所述膠帶是一種采用氯乙烯薄膜為基材，粘合劑為丙烯酸類，能夠在室外使用的金屬板用表面保護材料。優選地，膠帶選用日東公司生產的spv-224/214膠帶。步驟2中所述目標基底為厚度為300nm的Si02/Si基底；所述對目標基底不斷進行按壓或摩擦，是用手指對目標基底不斷進行按壓或者摩擦，時間為I分鐘-5分鐘，優選時間為2分鐘-3分鐘。步驟3中所述將鋪展有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酯的至少一種之中，時間為I小時-6小時，優選2小時-3小時，充分溶解殘膠后，轉移至去離子水中沖洗，沖洗次數為3次-5次。步驟4中所述對鋪有石墨烯的基底進行干燥處理，干燥處理溫度為20°C -60°C，優選溫度為室溫，并用氮氣吹干。
[0046]在本發明一個實施例中，本發明提供的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，其工藝流程具體包含:首先在藍膜上放入2-3片鱗片石墨烯，反復對折，粘帖，使石墨烯均勻分布于膠帶；然后將藍膜粘有石墨烯的一邊貼在Si02/Si基底上，用手指在基底上不斷進行按壓或者摩擦，然后輕輕撕掉基底上的藍膜；繼而浸泡基底于有機溶劑中，溶解殘膠；最后干燥處理基底，即可獲得具有原子級清潔表面的石墨烯。
[0047]基于圖1所示的方法獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯，其表面結構完整，表面起伏度小于0.4nm，為原子級平整表面。根據本發明，不引入其他機械剝離石墨烯以外的缺陷，表面殘膠少。
[0048]基于圖1所示的方法獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯，本發明還提供一種由上述方法處理獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯的應用，具體而言，該具有原子級清潔表面的石墨烯可用于構筑石墨烯場效應晶體管、導電薄膜等電子器件，或者用作原子級平整基底以研究表界面的微觀過程的應用。
[0049]實施例1、以四氫呋喃作為有機溶劑清潔機械剝離石墨烯表面
[0050]制備步驟如下:
[0051](I)將鱗片石墨烯平鋪于日東公司生產的spv-224/214膠帶上反復對折，粘帖，使石墨烯均勻分布于膠帶；
[0052](2)將鋪滿石墨稀的貼在目標基底上,用手指在300nm Si02/Si基底上不斷進行按壓，按壓時間為3min，然后輕輕撕掉目標基底上的藍膜；
[0053](3)將鋪展有石墨烯的Si02/Si基底浸泡于四氫呋喃中，浸泡時間6小時，溶解丙烯酸類粘合劑，充分溶解后，轉移至去離子水中沖洗，沖洗5次，氮氣吹干，即可獲得鋪展有石墨烯的Si02/Si基底；
[0054](4)最后將鋪有石墨烯的基底在室溫下進行干燥，即可獲取表面起伏度小于0.4nm具有原子級平整清潔表面的石墨烯。
[0055]圖2為機械剝離石墨烯清潔后的原子力顯微圖。從圖中得知，剝離的石墨烯除了邊緣產生褶皺，其余部分基本為單層石墨烯。由于藍膜表面的粘合劑，導致機械剝離石墨烯表面殘存在大量的顆粒狀和片狀的雜質。從高度起伏可以看出，單層石墨烯與基底表面的高度差在2-4nm，也說明石墨烯表面殘膠的存在。經過四氫呋喃清潔處理后，如圖3所示，石墨烯表面的顆粒狀和片狀的殘留完全消失，表面均一無雜質，表面起伏度小于0.4nm，為原子級平整表面。但由于處理的時間過長，導致石墨烯發生了輕微的褶皺。處理時間縮短為2_3h，效果更佳。
[0056]圖4中實施例1中剝離石墨烯清潔處理前后的拉曼譜圖。圖中D峰(?1350CHT1處)無明顯增強，峰形與處理前信號基本一致，說明本發明所提供的處理方法基本不引入石墨烯生長以外的額外缺陷。
[0057]實施例2、以乙酸乙酯作為有機溶劑清潔機械剝離石墨烯
[0058]采用乙酸乙酯清潔機械剝離石墨烯，除步驟(3)中將Si02/Si基底浸泡于四氫呋喃中改為乙酸乙酯之外，其余操作均與實施例1相同。
[0059]將圖5中的剝離的雙層及多層石墨烯浸泡于乙酸乙酯中，處理后，如圖6所示，表面均一無雜質，表面起伏度小于0.4nm，為原子級平整表面。圖7拉曼譜圖顯示石墨烯的特征峰與處理前信號基本一致，說明該處理方法基本不引入石墨烯生長以外的額外缺陷。
[0060]實施例3、以丁酮作為作為有機溶劑清潔機械剝離石墨烯
[0061]采用丁酮清潔機械剝離石墨烯，除步驟⑶中將Si02/Si基底浸泡于四氫呋喃中改為丁酮之外，其余操作均與實施例1相同。
[0062]將圖8中的剝離的單層石墨烯浸泡于丁酮中，處理后，如圖9所示，表面雜質減少，但是石墨烯發生了嚴重的蜷曲，喪失了原有的形貌，而且拉曼譜圖(圖10)同樣表明石墨烯的結構發生了明顯變化。
[0063]本發明的主要特點是引入簡單的有機溶劑處理方法而得到具有表面原子級清潔的機械剝離石墨烯。本發明提供的石墨烯結構完整、缺陷和表面殘膠殘留少。較之傳統的未經過處理的石墨烯，本發明所提供的方法表面殘膠極少，是原子級清潔的表面。本發明獲得的石墨烯適用于構筑石墨烯場效應晶體管、導電薄膜等領域。
[0064]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，其特征在于，該方法是將機械剝離得到的石墨烯結合于目標基底上，然后將結合有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酯的至少一種之中，溶解石墨烯表面的殘膠，得到具有原子級清潔表面的石墨烯。
2.根據權利要求1所述的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，其特征在于，該方法具體包括如下步驟: 步驟1:將機械剝離得到的鱗片狀石墨烯平鋪于膠帶上反復對折，粘帖，使石墨烯均勻分布于膠帶； 步驟2:將步驟1獲得的樣品貼在目標基底上，并對目標基底不斷進行按壓或摩擦，然后去掉目標基底上的監月旲； 步驟3:將鋪展有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酯的至少一種之中，溶解石墨稀表面的殘I父，獲得鋪展有石墨稀的目標基底； 步驟4:對鋪有石墨烯的基底進行干燥處理，得到具有原子級清潔表面的石墨烯。
3.根據權利要求2所述的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，其特征在于，步驟1中所述膠帶是一種采用氯乙烯薄膜為基材，粘合劑為丙烯酸類，能夠在室外使用的金屬板用表面保護材料。
4.根據權利要求2所述的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，其特征在于，步驟2中所述目標基底為厚度為300nm的Si02/Si基底。
5.根據權利要求2所述的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，其特征在于，步驟2中所述對目標基底不斷進行按壓或摩擦，是用手指對目標基底不斷進行按壓或者摩擦，時間為1分鐘_5分鐘。
6.根據權利要求2所述的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，其特征在于，步驟3中所述將鋪展有石墨烯的目標基底浸泡于有機溶劑四氫呋喃、甲苯、丁酮或乙酸乙酯的至少一種之中，時間為1小時_6小時，充分溶解殘膠后，轉移至去離子水中沖洗，沖洗次數為3次-5次。
7.根據權利要求2所述的對機械剝離石墨烯表面進行原子級清潔處理的方法，其特征在于，步驟4中所述對鋪有石墨烯的基底進行干燥處理，干燥處理溫度為20°C -60°C，并用氮氣吹干。
8.一種由權利要求1-7中任一項所述的方法獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯，該具有原子級清潔表面的石墨烯，表面結構完整，表面起伏度小于0.4nm，為原子級平整表面。
9.一種將由權利要求1-7中任一項所述的方法獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯用于制作石墨烯場效應晶體管或導電薄膜的方法。
10.一種將由權利要求1-7中任一項所述的方法獲得的具有原子級清潔表面的石墨烯用作原子級平整基底以研究表界面的微觀過程的方法。
【文檔編號】C01B31/04GK104495812SQ201410764087
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月11日 優先權日:2014年12月11日
【發明者】金智, 彭松昂, 史敬元, 王少青, 王選蕓, 張大勇 申請人:中國科學院微電子研究所