[发明专利]直接在针尖表面共形覆盖石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种在材料表面覆盖石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜，是只有一层原子厚度的新型二维材料，在力学、热学、光学、电学等方面均具有十分优异的性质，如超高的机械强度、良好的导热性、宽谱段高透明度和超强的导电性等。

针尖技术目前在医疗、半导体、扫描探针显微学、生物环境检测等诸多领域显示出广泛的应用前景。石墨烯覆盖的针尖在诸多方面具有明显优势：一，石墨烯作为已知最好的导体材料，石墨烯覆盖的针尖可以用作导电针尖进行电学测量，应用于原子显微镜(AFM)上还可以同时实现成像和电学信息测量；二，石墨烯可以降低场发射针尖源的势垒，因而石墨烯覆盖的针尖可以实现更好的场发射性能；三，石墨烯特有的化学键结构更易于和有机生物分子结合，因而石墨烯覆盖的针尖可以用于提取生物分子，同时针尖有增强拉曼光谱的性能，因而石墨烯覆盖的针尖还可以实现对生物分子信息的高精度检测。

目前，在针尖上覆盖石墨烯的方法主要有两种：

一，先将石墨烯生长于铜箔上，再通过聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜的涂覆和铜的刻蚀将石墨烯转移至PMMA膜，最后将石墨烯转移至硅针尖上。该方法过程复杂，且二维薄膜很难共形的覆盖于三维的针尖表面。

二，先在硅针尖表面蒸镀Au薄膜作为催化剂，再在其上采用高温化学气相沉积法(CVD)于750-850℃生长石墨烯。该方法在石墨烯/硅针尖中引入了Au薄膜，影响了其在一些方面的应用，同时制备温度过高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直接在针尖表面共形覆盖石墨烯的方法，操作简单，无需金属催化剂，无需复杂的石墨烯转移过程，制备温度低，可以直接在三维的针尖表面覆盖连续均匀的石墨烯薄膜。

经研究，本发明提供如下技术方案：

直接在针尖表面共形覆盖石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)将针尖表面清洗干净并干燥；

(2)将步骤(1)清洗、干燥后的针尖置等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)的真空腔室中，排尽真空腔室内的空气，然后向真空腔室中填充保护气体；

(3)待步骤(2)填充氢气完成后，将针尖加热至石墨烯生长温度，向真空腔室中通入碳源气体和起载流作用的保护气体，维持气压在石墨烯生长压强，同时设定射频电源功率至石墨烯生长功率，使石墨烯在针尖表面直接生长；

(4)待步骤(3)石墨烯生长结束后，关闭射频电源，停止向真空腔室中通入碳源气体，将针尖在保护气体和石墨烯生长压强下降温至10-30℃，取出针尖，在针尖的尖端及其侧表面即覆盖有连续均匀的石墨烯薄膜。

进一步，所述针尖材质的熔点应高于石墨烯生长温度，从而在石墨烯生长时可以保持针尖状态，优选材质为硅、锗、氮化硅、碳化硅、二氧化硅、砷化镓、金、银、铂、铜、铁、钨、钼、钯、镍、氧化镁或氧化铝。

进一步，所述针尖尖端的曲率半径大于10nm。石墨烯中一个苯环直径在0.5nm左右，如果针尖尖端的曲率过小，则石墨烯很难维持稳定；一般而言，曲率小于10nm的针尖也很难制作。

进一步，所述保护气体为惰性气体或还原性气体，作用是防止石墨烯在高温下氧化，优选氮气、氢气、氩气、氦气、氖气、氪气和氙气中的任一种或几种混合，更优选氮气、氢气和氩气中的任一种或几种混合。另外，保护气体在步骤(3)中也作为载带碳源气体的载流气体。

进一步，所述碳源气体为高温下可裂解形成碳的有机气体，在PECVD真空腔室中，碳源气体在射频电源的作用下形成等离子体，在高温的针尖表面分解为活性碳原子，碳原子在针尖的尖端和侧表面成核并长大，最终形成连续均匀的石墨烯薄膜。碳源气体优选甲烷、乙烯、乙炔、甲醇、乙醇、苯和甲苯气体中的任一种或几种混合，更优选甲烷、乙烯、乙炔或乙醇气体。

进一步，所述石墨烯生长温度为300-600℃；石墨烯生长压强为1Pa-10KPa；石墨烯生长的射频电源功率为1W-10KW；石墨烯生长时间为1min-1h。石墨烯生长的射频电源功率应根据PECVD设备规模来选择，选择依据是使真空腔室内的碳源气体充分起辉形成等离子体。

进一步，步骤(1)是将针尖置水中超声清洗2-10min，用氮气吹干；或者，是将针尖依次置丙酮、95vol％乙醇、水中浸泡清洗2-10min，用氮气吹干。

进一步，所述排尽真空腔室内空气的方法是将真空腔室抽真空至本底真空度后，用保护气体冲洗与真空腔室相连的各个气路，再将真空腔室抽真空至本底真空度。