[发明专利]一种石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体是一种石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜的制备方法。

背景技术

近年来，石墨烯和金属纳米颗粒由于其独特的光学、电学、力学和催化作用以及生物相容等特性在纳米科技领域引起了广泛的兴趣，在电子输运器件、 电极电容器件、 传感器、单分子检测、光伏增效以及复合材料等领域中有着巨大的应用前景。

金属纳米颗粒的特殊性质如表面等离子体激元效应是由于纳米颗粒表面自由电子受入射电磁波（或入射光）中电场分量激励，而产生相互作用，形成表面等离子体激元。这种表面等离子体激元可产生增幅高于入射电磁波（或入射光）                                               -倍的局域电场强度。由于局域高电场强度有益于单分子拉曼检测信号的放大和改善太阳能器件对入射光的吸收率，而一度成为生物分子检测和光伏增效领域中的技术热点。在生物检测领域，研究发现，当金属纳米颗粒相互靠近产生耦合时，可改变纳米材料的光学性能，并能进一步提高金属纳米颗粒表面局域的电场强度，从而提高分子拉曼检测信号强度，然而金属纳米颗粒间的极小距离（10纳米以下）在纳米材料制备技术方面较为困难，通过传统纳米光刻技术一般只能做到10纳米以上距离，所以精确控制纳米颗粒间的耦合距离是纳米技术领域的一大难题之一。在新兴光伏领域，金属纳米颗粒由于局域光场作用而产生的陷光效应可广泛应用于太阳能电池增效技术。2008年，期刊Applied Physics Letters第93卷073307期曾报道利用氧化铟锡表面制备一层金纳米颗粒来增加太阳能电池对入射光的陷光作用，使电池效率相对提高21%。然而，金属纳米颗粒薄膜由于颗粒的分散性无法作为独立的增效电极使用，一般采用氧化铟锡/金属纳米颗粒复合薄膜作为透明电极使用。而氧化铟锡中的铟是一种稀有材料且具有一定的毒性，随着铟资源的减少，势必不利于光伏产业的可持续性发展。

石墨烯具有六边形网络结构，具有优良的光学透明性和导电性，现有的制备技术上可制备出单原子层或数原子层叠加的高品质石墨烯，厚度为数埃到几个纳米之间。利用石墨烯的这些特性及金属纳米颗粒的表面等离子激元效应，开发出一种石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜可有效地解决上述问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术的不足，提供一种石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜的制备方法。本发明中石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜采用石墨烯薄膜、金属纳米颗粒薄膜叠层复合结构，利用石墨烯厚度的可控性来形成金属纳米颗粒之间极小距离（10纳米以下）的表面等离子体耦合作用，得到更强的局域电场强度。并且由于石墨烯的高导电性和光学透明性从而可作为分子拉曼信号检测基底或透明增效导电电极应用于生物检测和光伏增效领域。

技术方案：为控制纳米颗粒之间的耦合距离以及解决太阳能电池增效透明电极问题，本发明提供了一种制备石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜的方法。本发明的技术方案可根据以下方案实现：

本发明的石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜主要包括：第一石墨烯薄膜层、第二石墨烯薄膜层、第三石墨烯薄膜层、第一金属纳米颗粒薄膜层和第二金属纳米颗粒薄膜层；石墨烯薄膜层和金属纳米颗粒薄膜层这两种薄膜材料相互交替叠加形成石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜，并与基底材料构成整体，作为分子拉曼信号检测基底或透明增效的太阳能电池电极。

所述的基底材料采用硅片或石英玻璃。

本发明的一种石墨烯和金属纳米颗粒复合薄膜的制备方法主要包含5个步骤:

a、首先利用化学气相沉积法在铜或镍金属基底上外延生长一层石墨烯薄膜，石墨烯薄膜厚度为数埃到几十纳米，通过溶液腐蚀掉金属基底方式得到第一石墨烯薄膜层，并转移至基底材料的表面上；

b、把第一石墨烯薄膜层及基底材料整体作为直流电极采用电泳方法放入含有金属纳米颗粒溶液中，在第一石墨烯薄膜层表面制备第一金属纳米颗粒薄膜层，或以第一石墨烯薄膜层及基底材料为整体在第一石墨烯薄膜层表面真空蒸镀一层金属纳米薄膜并高温退火得到第一金属纳米颗粒薄膜层；

c、在第一金属纳米颗粒薄膜上再铺覆一层化学气相沉积法制备的第二石墨烯薄膜层；

d、在第二石墨烯薄膜层上利用电泳方法或真空蒸镀并退火的方法制备一层第二金属纳米颗粒薄膜层；

e、在第二金属纳米颗粒薄膜层上再次铺覆一层化学气相沉积法制备的第三石墨烯薄膜层。