[发明专利]一种溶液态石墨烯图案化排布的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种溶液态石墨烯图案化排布的方法。

背景技术

石墨烯是一种少数层的高结晶石墨，它是构成石墨，富勒烯和碳纳米管的基本 单元。根据其层数的不同可以分为单层，双层和多层(三到十层)石墨烯。自2004 年以来，石墨烯以其独特的分子结构，优异的电学、化学和力学性能，以及在场效 应晶体管、传感器和透明电极等方面巨大的潜在应用，逐步成为物理学界，化学界， 材料界和微电子领域的科学家们关注的明星材料(Science 2004，306，666-669； Nature Nanotechnology，2008，3，10-11)。石墨烯的制备和排布是其进一步发展与应 用的关键，从而引起了包括英国曼彻斯特大学、美国斯坦福大学、韩国三星公司等 在内的学术界和工业界的广泛关注。迄今为止，人们可以通过多种方法得到石墨烯， 如：机械剥离高定向石墨法，外延生长法，化学气相沉积法和化学法等。

化学法由于可以实现石墨烯的大规模溶液法制备被认为是制备石墨烯的重要 途径，相对于其它方法，化学法具有成本低、量大、重复性好的特点(Nature Nanotechnology，2009，4，217-224)。化学法得到的通常是石墨烯的分散体系，不易 于直接应用。而图案化的石墨烯薄膜则可以直接应用于包括晶体管、发光二极管、 太阳能电池等在内的光电器件的多个领域。因此，石墨烯的溶液法图案化是实现化 学法制备石墨烯广泛应用的有效途径，是决定其应用性的关键。世界上多个研究小 组开展了相关方面的研究。人们发现由于石墨烯溶液体系的特殊性，其并不能像碳 纳米管、富勒烯的排布那样实现(Nanoletter，2008，8，3141-3145；Nano research 2009， 2，336-342)，而需要对溶液体系进一步处理或者在表面修饰上氨基，通过静电力 作用实现定点排布。但是这些方法对衬底和溶液体系有严格的要求，适用范围较窄， 这就限制了溶液法制备石墨烯的广泛应用。所以，开发简单、有效并具有普适性的 石墨烯图案化方法是石墨烯进一步发展的重点，也是实现石墨烯大规模，低成本使 用的前提条件，具有巨大的科学研究价值和经济价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现溶液态石墨烯在各种衬底上的图案化排布方 法，从而为实现溶液法制备石墨烯的应用奠定基础。

本发明所提供的溶液态石墨烯图案化排布的方法，包括下述步骤：

1)处理衬底，在所述衬底表面形成石墨烯溶液的溶剂浸润区与不浸润区；

2)在步骤1)得到的衬底上滴加所述石墨烯溶液，然后将所述衬底进行甩膜处 理，接着进行热处理，即得到石墨烯的图案化排布。

其中，所述石墨烯溶液的溶剂选自下述至少一种：水、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、 2-氮甲基乙酰胺和四氢呋喃。

实现衬底表面溶剂浸润区与不浸润区的方法可单独采用表面处理法，或表面处 理法和溶剂调控法相结合；所述表面处理法选自下述方法：自组装分子法，打印法， 臭氧处理法，氧等离子体法，氩等离子体法，紫外光照法和蒸镀法；所述溶剂调控 法中所采用的溶剂选自下述至少两种：水、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、2-氮甲基乙酰 胺和四氢呋喃。当采用表面处理法和溶剂调控法相结合的方法实现衬底表面溶剂浸 润区与不浸润区时，所述石墨烯溶液的溶剂为所述溶剂调控法中所采用的混合溶 剂。

所述步骤2)中热处理的方法选自下述至少一种：惰性气体氛围热处理法、还 原性气体氛围热处理法、真空热处理法和肼及其衍生物蒸气热处理法。

本发明中所述衬底由无机材料或有机材料制成；所述无机材料选自下述物质： 二氧化硅、三氧化二铝、五氧化二钒、氧化锆、氧化铪、硅片、玻璃、石英片、金、 银、铜和铝；所述有机材料选自下述物质：聚丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚酯薄膜、 聚丙烯氰和聚乙烯。

本发明所述溶液态石墨烯图案化排布的方法还包括在步骤1)前，对所述衬底 进行清洗并烘干的步骤。对衬底进行清洗的方法具体可为：将衬底依次用洗洁精溶 液、自来水、二次水、乙醇和丙酮进行超声清洗。本发明所述的石墨烯溶液包括氧 化石墨烯溶液。