一種在大氣環境下利用激光快速制備石墨烯的方法與流程

本發明屬于石墨烯制備領域，具體涉及一種大氣環境下利用激光快速制備石墨烯的方法。

背景技術：

自從2004年，英國曼徹斯特大學物理和天文學系的geim和novoselov首次制備出穩定的石墨烯后，石墨烯便以其優異的性能和獨特的二維結構成為材料領域的研究熱點。石墨烯又稱單層石墨或二維石墨，它的基本結構是sp²雜化碳原子形成的類六元環苯單元，其理論厚度僅為0.35nm，是目前自然界最薄、強度最高、導電導熱性能最強的材料，其載流子遷移率可達1.5×10⁴cm²/(v·s)，在特定條件下，其載流子遷移率甚至可高達2.5×10⁵cm²/(v·s)。此外，石墨烯還具有完美的量子隧道效應、室溫鐵磁性、永不消失的電導率等一系列性質。在納米電子器件、傳感器件和光電器件等領域具有巨大的應用潛力。

隨著對石墨烯研究的深入，石墨烯的制備主要有兩類方法：一類是以石墨為原料，通過物理、化學剝離或裁剪的方法獲得單層或多層石墨烯；另一類是以含碳化合物為原料，通過化學分解、碳原子結晶生長等方法獲得。上述方法雖然較成熟，但仍存在一些不足。比如機械剝離法雖然操作簡單，但產率低，尺寸不易控制。化學氣相沉積法被認為是最有希望制備出高質量、大面積石墨烯的方法，是產業化生產石墨烯薄膜最具潛力的方法，但是其工藝溫度一般較高，耗時長，需要在密閉真空腔體中進行制備，導致成本較大。因此，提供一種在大氣環境下用簡單、快速制備石墨烯的方法是目前急需要解決的問題。

技術實現要素：

鑒于此，本發明的目的在于提供一種在大氣環境下快速制備石墨烯的方法，其是在激光照射下，使氣態碳源沉積在催化性金屬表面，而直接制備得到石墨烯的薄膜，該方法升溫與降溫速度快，具有快速制備石墨烯的優勢。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種在大氣環境下利用激光快速制備石墨烯的方法，其是在一兩端開口的密封容器內裝入液態或固態碳源，然后從其一端開口處通入惰性載氣，使液態或固態碳源轉化為氣態碳源（對于飽和蒸氣壓較低的物質可以采取低溫加熱的方式），再將含有氣態碳源的混合氣體從容器另一開口處排出，使排出的混合氣體吹掃到催化性金屬的表面，并采用激光光源輻照催化性金屬，從而在金屬表面沉積形成石墨烯薄膜。

所述液態或固態碳源包括液態苯、甲醇、乙醇、樟腦丸、類固醇、并五苯、聚苯乙烯中的任意一種。

所述催化性金屬包括銅、鎳、釕、鈷、鐵中的任意一種或其合金。

所述激光光源為紅外光源或可見光光源，其脈寬為飛秒、皮秒或納秒，掃描速度為0.1-100mm/s。激光束斑的直徑為0.8-50μm，功率密度為10⁴-10⁶w/cm²。

本發明的原理是激光照射于催化性金屬表面，使得催化性金屬瞬間加熱，進而從含有氣態碳源的混合氣體中吸收碳原子，當激光束移開后，催化性金屬快速降溫，從而使碳原子從金屬表面析出，最終形成石墨烯薄膜。

若使激光光源按一定的圖案對催化性金屬進行掃描照射，還可以在所述催化性金屬表面形成圖案化石墨烯薄膜。

本發明的有益效果在于：

（1）本發明將含有氣態碳源的混合氣體吹掃到催化性金屬的表面，并利用高功率密度的激光束掃描催化性金屬表面，從而使氣態碳源在催化性金屬的作用下沉積在金屬表面以形成石墨烯薄膜。該方法具有簡單易操作、升溫與降溫速度快的特點，可實現大氣環境下石墨烯的快速制備。

（2）本發明采用常見的液態或固態碳源和惰性載氣，其成本低，易獲取；且通過將惰性氣體通入液態或固態碳源中形成含氣態碳源的混合氣體，使整個制備過程十分安全，不生成副產物。

（3）包含氣態碳源和惰性載氣的混合氣體流經催化性金屬表面，其中惰性載氣的流動可減少催化金屬表面氧氣的濃度，再利用激光束掃描加熱催化性金屬，避免了碳源各向導熱造成的溫度不均勻的情況，從而得到較好的成膜性。

（4）用聚焦的激光束作用時，配合掃描振鏡和加工平臺的運動，可以掃描出任意圖案化的石墨烯。

附圖說明

圖1為本發明實施例一不需要加熱制備石墨烯的示意圖；

圖2為本發明實施例二低溫加熱制備石墨烯的示意圖；

圖3為本發明實施例一和實施例二中制備的石墨烯薄膜的示意圖；

圖4為本發明實施例三中不需要加熱制備石墨烯的示意圖；

圖5為本發明實施例四中低溫加熱制備石墨烯的示意圖；

圖6為本發明實施例三和實施例四中制備的石墨烯薄膜的示意圖。

具體實施方式

為了使本發明所述的內容更加便于理解，下面結合具體實施方式對本發明所述的技術方案做進一步的說明，但是本發明不僅限于此。

實施例一

（1）如圖1所示，首先，提供一銅箔1，將其先浸入到硝酸（70%，aq）中30-90秒；隨后浸入到去離子水中清洗5-6次以除去表面的殘留物；再分別用丙酮和異丙醇進行沖洗，以除去水分，氮氣吹干；最后將其置于管式爐中，在氫氣的保護下，于950℃退火處理10分鐘；

（2）提供一兩端開口的密封容器2，將液態苯3裝入該密封容器內，然后從其一端開口處通入惰性氣體4，另一端通出含有氣態苯的混合氣體5（其中6為通口處的閥門），將放置在基板7上并經過處理的銅箔1置于混合氣體出口處，使混合氣體流經銅箔的表面；

（3）提供一激光光源8輻照混合氣體5流經的銅箔1表面，該激光光源為近紅外光源，且波長為1.06μm，激光束斑為高斯光束，直徑為30μm，功率密度為1×10⁶w/cm²，以1mm/s的速度進行圖案化掃描；銅箔1可有效地吸收激光的能量而快速升溫，從而吸收混合氣體中氣態苯中的碳原子，使得碳原子吸附于銅箔表面，進而成核生長成石墨烯島，當激光掃描結束時，銅箔快速降溫，最終在銅箔1表面形成如圖3所示的圖案化石墨烯薄膜9。

實施例二

（1）如圖2所示，首先，提供一銅箔1，將其先浸入到硝酸（70%，aq）中30-90秒；隨后浸入到去離子水中清洗5-6次以除去表面的殘留物；再分別用丙酮和異丙醇對銅箔進行沖洗，以除去水分，氮氣吹干；最后將其置于管式爐中，在氫氣的保護下，于950℃退火處理10分鐘；

（2）提供一兩端開口的密封容器2，將飽和蒸氣壓較低的固態碳源3裝入該密封容器內，用電阻絲10對密封容器進行低溫加熱，然后從其一端開口處通入惰性氣體4，另一端通出含有氣態碳源的混合氣體5（其中6為通口處的閥門），將放置在基板7上并經過處理的銅箔1置于混合氣體出口處，使混合氣體流經銅箔的表面；

（3）提供一激光光源8輻照混合氣體5流經的銅箔1表面，該激光光源為近紅外光源，且波長為1.06μm，激光束斑為高斯光束，直徑為30μm，功率密度為1×10⁶w/cm²，以1mm/s的速度進行圖案化掃描；銅箔1可有效地吸收激光的能量而快速升溫，從而吸收混合氣體中氣態碳源中的碳原子，使得碳原子吸附于銅箔表面，進而成核生長成石墨烯島，當激光掃描結束時，銅箔快速降溫，最終在銅箔1表面形成如圖3所示的圖案化石墨烯薄膜9。

實施例三

（1）如圖4所示，首先，提供一個基板7，該基板可以為玻璃、二氧化硅或塑料；在基板7上蒸鍍一層金屬鎳11，其厚度為50-100nm；

（2）提供一兩端開口的密封容器12，將液態苯13裝入該密封容器內，然后從其一端開口處通入惰性氣體14，另一端通出含有氣態苯的混合氣體15（其中16為通口處的閥門），將鍍有金屬鎳的基板置于混合氣體出口處，使混合氣體流經金屬鎳的表面；

（3）提供一激光光源17輻照混合氣體15流經的金屬鎳表面，該激光光源為近紅外光源，且波長為1.06μm，激光束斑為高斯光束，直徑為30μm，功率密度為2×10⁵w/cm²，以1mm/s的速度進行圖案化掃描；金屬鎳11可有效地吸收激光的能量而快速升溫，從而吸收混合氣體中氣態苯的碳原子，當激光掃描結束時，金屬鎳快速降溫，從而使碳原子從金屬鎳的表面析出，最終在金屬鎳的上表面形成多層圖案化石墨烯18，下表面也形成多層圖案化石墨烯19；

（4）利用一fecl3水溶液將金屬鎳11剝離，此時在金屬鎳的下表面即金屬鎳與基板之間形成的圖案化石墨烯19完整地留在基板7上，如圖6所示。

實施例四

（1）如圖5所示，首先，提供一個基板7，該基板可以為玻璃、二氧化硅或塑料；在基板7上蒸度一層金屬鎳11，其厚度為50-100nm；

（2）提供一兩端開口的密封容器12，將飽和蒸氣壓較低的固態碳源13裝入該密封容器內，用電阻絲20對密封容器進行低溫加熱，然后從其一端開口處通入惰性氣體14，另一端通出含有氣態碳源的混合氣體15（其中16為通口處的閥門），將鍍有金屬鎳的基板置于混合氣體出口處，使混合氣體流經金屬鎳的表面；

（3）提供一激光光源17輻照混合氣體15流經的金屬鎳表面，該激光光源為近紅外光源，且波長為1.06μm，激光束斑為高斯光束，直徑為30μm，功率密度為2×10⁵w/cm²，以1mm/s的速度進行圖案化掃描；金屬鎳11可有效地吸收激光的能量而快速升溫，從而吸收混合氣體中氣態苯的碳原子，當激光掃描結束時，金屬鎳快速降溫，從而使碳原子從金屬鎳的表面析出，最終在金屬鎳的上表面形成多層圖案化石墨烯18，下表面也形成多層圖案化石墨烯19；

（4）利用一fecl3水溶液將金屬鎳11剝離，此時在金屬鎳的下表面即金屬鎳與基板之間形成的圖案化石墨烯19完整地留在基板7上，如圖6所示。

綜上所述，本發明制備方法新穎，制作成本低，制備工藝簡單，不僅制備速度快，且制備的環境無需特殊的要求，在大氣環境下即可進行；且本發明還可以根據實際要求，配合掃描振鏡和加工平臺的運動，制備出圖案化的石墨烯薄膜。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。