[发明专利]一种利用等离子溅射制作掺氮石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料催化掺杂技术领域，涉及一种利用等离子体溅射技术对石墨烯进行掺氮的方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

在石墨烯中掺杂氮元素是目前一个学术研究热点，可以应用于太阳能电池、燃料电池等催化剂研究领域。目前石墨烯掺氮方法主要有水热合成法、化学合成法等，这些方法合成效率和质量普遍较低，亟待改进。等离子体溅射技术可以高效地进行石墨烯掺氮工作，其中等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，形成高势能高动能的等离子态原子物质。

发明内容

本发明提供一种利用等离子溅射制作掺氮石墨烯的方法，主要包括以下步骤：

步骤1：将反应基底依次在去离子水、丙酮和乙醇中分别超声清洗30分钟。

步骤2：利用高纯气体将反应基底吹干并干燥静置5～10分钟。

步骤3：将反应基底放入CVD装置，通入还原性气体，控制反应炉30分钟内升高至800～1100℃。

步骤4：保持化学气相沉积（CVD）装置高温运行40～80分钟，并向CVD装置中通入碳源气体。

步骤5：控制CVD装置温度在5分钟内降至常温，取出生长完石墨烯的反应基底。

步骤6：将反应基底放入等离子体溅射装置的反应腔体中，利用真空泵将反应腔体的真空环境控制在5mTorr以下。

步骤7：向反应腔体中通入氮源气体，控制操作电压使氮源气体电离出等离子态的氮原子，整个等离子体放电过程持续5～15分钟。

步骤8：将完成石墨烯掺氮的反应基底从等离子体溅射装置中取出，并放置在腐蚀溶液表面使反应基底完全腐蚀。

步骤9：将掺氮的石墨烯转移至去离子水表面，静置清洗后得到干净的掺氮石墨烯。

上述方案中，步骤1所述的反应基底为镍箔或者铜箔，步骤2所述的高纯气体为浓度99.999%以上的氮气或者氩气，步骤3所述的还原气体为氢气，步骤4所述的碳源气体为甲烷或者乙炔，步骤7所述的氮源气体为氨气，步骤8所述的腐蚀溶液为FeCl₃或者Fe(NO₃)₃溶液。

本发明的有益效果：本发明利用高真空、高电压下氮源气体电离出等离子态的氮原子具有极强的反应活性，呈现出高度激发的不稳定性，极易掺杂嵌入石墨烯结构。控制诸如氮源气体的进气浓度、反应电压等可以精确控制石墨烯的掺氮浓度，对于太阳能电池、燃料电池等催化剂研究领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1为原始石墨烯及不同操作电压下掺氮石墨烯的拉曼图谱；

图2(a)为掺氮石墨烯SEM图像；

图2(b)为掺氮石墨烯局部SEM图像；

图3(a)为掺氮石墨烯XPS全元素谱；

图3(b)为掺氮石墨烯XPS氮元素谱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：利用镍箔制备的石墨烯、操作电压为600V进行的掺氮实验操作。