[发明专利]一种石墨烯与非晶碳复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米复合材料的制备方法，特别是关于一种石墨烯与非晶碳复合薄膜的制备方法。

背景技术

石墨烯是继碳纳米管、富勒烯球后的又一重大发现。石墨是三维的层状结构，石墨晶体中层与层之间相隔0.34nm，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。其同一平面层上的碳原子间结合很强，化学性质也稳定，其中一层就是石墨烯。按照石墨的层数可以分为一层或多层石墨烯，而真正能够独立存在的二维石墨烯，于2004年由英国曼彻斯特大学的Novoselov等人，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得。目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂法、外延生长法、石墨氧化法和化学气相沉积法。其中化学气相沉积法是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，理论上它是将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。

自从石墨烯发现以来，其优良的性能和广阔的应用前景，引起了人们的广泛关注，目前，已经广泛应用于光伏能源领域及场发射领域。石墨烯通过与各种材料的复合，能进一步将其特殊性能显著提高，也引起了越来越多人的兴趣。Kim等人通过静电结合的方法，将石墨烯与碳纳米管进行复合，获得了大面积、均匀透明的导电薄膜；Kane等人将石墨烯与金属接触界面进行复合，形成了全新的金属接触界面-碳纳米管和石墨烯的复合结构，显著降低了接触电阻；李素芳等人通过将石墨烯与微纳米金属及金属氧化物颗粒相复合，制备了一种全新的吸波材料。与石墨烯复合相关的研究大多采用化学后处理和原位生长的方式，但怎样进行大规模可控的生产，如何通过复合手段进一步提高其特种电学特性仍是研究的热点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种石墨烯与非晶碳复合薄膜的制备方法，采用该方法可以大规模可控生产石墨烯与非晶碳复合薄膜，且制备出的石墨烯与非晶碳复合薄膜透光性好、比表面积大、电学性能独特。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种石墨烯与非晶碳复合薄膜的制备方法，其包括以下步骤：1)化学气相沉积法：设置一无氧反应器；在无氧反应器内放入铜衬底，并进行加热；当铜衬底达到一定温度后，向无氧反应器内通入一定量吡啶；反应适当时间后，对铜衬底进行急冷，得到含有石墨烯与非晶碳复合薄膜的三层结构产物；2)分离纯化法：将采用化学积法得到的三层结构产物放入去离子水中，清除上层非晶碳层；将剩余的中间层和下层产物放入含铁离子的溶液中，对下层铜衬底进行刻蚀，得到中间层石墨烯与非晶碳复合薄膜。

所述步骤1)中，化学气相沉积法的具体步骤为：①设置一无氧反应装置，该装置包括管式炉，管式炉内放置石英管，石英管的两端分别设置有一进气管和一出气管，石英管上还设置有一进料管，进料管的进料端连接一原料进给器；②将厚度为0.02mm～0.1mm的铜衬底，先后放入丙酮和去离子水中，分别超声波清洗不少于五分钟；③将清洗过后的铜衬底放置在石英舟上，送入石英管内，通过进气管向石英管内通入一定速率的氩气，保持石英管内的真空度；同时，管式炉将石英管的管内温度加热至900℃～1000℃，到达温度后，保温30～60分钟；④预热处理完成后，将氩气的进给速率调整为400mL/min～800mL/min；同时，原料进给器通过进料管向石英管内进给吡啶，吡啶的进给速率为8μL/min～15μL/min，进给总量为80μL～300μL。⑤进给完成后，等待约3～5分钟，当石英管内气化的吡啶反应完全后，从石英管内拉出石英舟，利用石英管内外的温差，对铜衬底进行急冷处理，得到含有石墨烯与非晶碳复合薄膜的三层结构产物。

所述步骤③中，氩气的进给速率为100mL/min～200mL/min。

所述步骤2)中，分离纯化法的具体步骤为：①依次将采用化学气相沉积法得到的三层结构产物，置于多个盛有去离子水的容器中，用软毛刷对上层非晶碳层进行清除，直至上层非晶碳层被完全清除；②将经步骤①处理后的含有中间层和下层的结构产物置于含铁离子的溶液中，对下层铜衬底进行刻蚀，以去除下层铜衬底，其中，含铁离子的溶液浓度为0.5mol/L～1mol/L；③将经步骤②得到的漂浮在含铁离子溶液中的石墨烯与非晶碳复合薄膜，用铁网转移至盛有去离子水中的容器中，清洗其上粘附的铁离子，可以多次放入不同的盛有去离子水中的容器进行清洗，直至得到干净的石墨烯与非晶碳复合薄膜。

所述铁网的目数为50～300。