[发明专利]硫掺杂石墨烯薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯薄膜的制备方法，特别是一种硫掺杂石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术

石墨烯是2004年由英国曼彻斯特大学两位物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中分离出的一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六边形网格结构的二维晶体材料。二人也因其开创性的实验共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。研究表明石墨烯具有非常优异的性能，如高的电子迁移率，良好的导热性、透光性以及很好的稳定性，因此可应用于半导体材料、复合材料、电池电极材料、储氢材料、场发射材料以及超灵敏传感器等领域。

从理论上说，石墨烯中电子迁移率和空穴迁移率两者相等，n型场效应晶体管和P型场效应晶体管是对称的，因此电子能谱中没有带隙(band gap)，不能像传统的晶体管那样通过改变电压来控制其开关(Kostya Novoselov，Graphene Mind the gap.Nature Materials，2007，6：720-721.；)，导致很难用普通的方法来组建晶体管(Gui Gui，Jin Li，and Jianxin Zhong，Band structure engineering of graphene by strain：First-principles calculations.Physical Review B，2008，78：075435)。此外，石墨烯的零带隙结构也限制了其在薄膜太阳能电池中的应用。太阳能半导体电池是利用材料的光伏效应来实现光电转换，因此要求半导体材料对一定波长的入射光有足够大的吸收系数，且入射光的光子能量hυ大于或等于半导体材料的带隙E_g，在石墨烯中引入带隙也是实现其在太阳能电池中应用的关键所在(Lewis Gomez De Arco，Yi Zhang，Cody W.Schlenker，Koungmin Ryu，Mark E.Thompson and Chongwu Zhou，Continuous，Highly Flexible，and Transparent Graphene Films by Chemical Vapor Deposition for Organic Photovoltaics.ACS Nano，2010，4(5)：2865-2873)。研究表明，掺杂是改变石墨烯电子结构进而改变带隙的有效途径。异质原子掺入石墨烯的晶格，不仅可有效的引入带隙，而且可以增加石墨烯的缺陷和局域的反应活性，从而产生许多新的功能(C.N.R.Rao，A.K.Sood，Rakesh Voggu，K.S.Subrahmanyam，Some novel attributes of graphene，Physical Chemistry Letters，2010，1：572-580.；)。研究发现氮、硼或磷元素能够掺入石墨烯晶格并有效改变其性能，见申请号为200810113597.5的中国发明公开《掺杂石墨烯及其制备方法》(公开号：CN101289181B)。现有技术中对于其它元素掺杂的研究相对较少，所公开的这方面内容也较少。

发明内容

本发明提供一种硫掺杂石墨烯薄膜的制备方法。

本发明制备硫掺杂石墨烯薄膜的方法同样是采用化学气相沉积法，其具体做法是：将金属衬底放入反应器中，通入还原保护性气体将反应器内的气体完全排出，并在400℃～500℃和还原保护性气氛下对金属衬底进行加热预处理，再将金属衬底加热到900℃～1000℃，停止通入还原保护性气体，并使容器内的真空度达10^-2～10^-3乇，再将混合的液态碳源与硫源以气态引入容器，在金属衬底上生长出所要求的硫掺杂石墨烯薄膜后迅速将反应器内的温度冷却至800℃，停止通入碳源与硫源气体，并引入还原保护性气体，继续冷却直至反应器内的温度到室温，取出硫掺杂石墨烯薄膜的金属衬底，在其表面上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，用可溶解金属衬底的溶液将金属衬底溶解去除，再将硫掺杂石墨烯薄膜和聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的复合膜转移到基底材料上，用溶液去除聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，得到硫掺杂石墨烯薄膜。

本发明制备硫掺杂石墨烯薄膜的方法中所用的混合液态的碳源与硫源是将0.5mg～1mg硫粉溶于50～100ml己烷中得到的液体。

本发明制备硫掺杂石墨烯薄膜的方法中所使用的金属衬底为铜箔或纳米铜层。当所用的衬底为纳米铜层时，如用磁控溅射法可在硅片或聚合物柔性衬底上沉积纳米铜层，其厚度在厚度为200nm～500nm为好。