[发明专利]一种图案化石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种图案化石墨烯的制备方法。

背景技术

在2004年之前，石墨烯只存在于理论模型中，并被认为是不可能稳定存在的。直到2004年，由A.K.Geim和K.S.Novoselov首次在实验室中合成石墨烯，才打破了二维材料不可能在自然界中稳定存在的预言，他们也因此获得了2010年的诺贝尔物理奖。石墨烯是由碳原子通过sp2键组成的蜂窝状晶格为最小结构单元的单原子层材料，是世界上已知的最薄的材料，是构成其他碳材料的一个基本构建单元。它有很多优异的电子性质(Science 2004，306，666-669)，如具有最快的电子迁移率(15000cm2/v/cm或106Ω/cm)，不受温度控制的超高电荷载流子迁移率200000cm2/v/s和接近光速的高效的费米速度106m/s。此外单层石墨烯有极好的机械性能，其杨氏模量为1.0TPa，刚性为130GPa，光学透过性为～97.7％(吸收2.3％白光)，超快的热导率(5000W/m/K，是铜的100倍)。它还有高达2620m2/g的理论比表面积，极好的电子传导率及柔韧性。由此，我们可以预测石墨烯在很多应用领域可以单独使用或者通过杂化或复合来取代碳纳米管，石墨，金属以及半导体。

因为石墨烯的这些性质，广大科研工作者给予了极高的专注。相关石墨烯的科技文献也是爆炸式增长。经过近10年的发展，石墨烯膜的制备手段已经非常丰富，比如微机械剥离法、SiC外延法、化学剥离法、气相沉积法、化学剥离法、电弧放电法、电化学剥离法、有机合成法等。这些方法工艺都比较复杂，对设备的依赖度很高，而且多为实验室制备手段，很难有效的放大生产，且石墨烯质量也有待提高。

现阶段产业化的主要是气相沉积法、化学剥离法以及物理剥离法。气相沉积法设备投资高，工艺复杂，产量低，产品成本高，但是可以制作大面积石墨烯，且石墨烯质量较高。现阶段主要用于半导体上，屏幕，触摸屏等产品，还处于研发阶段，待其成本下降后完全可以取代透明导电玻璃(氧化铟锡ITO)，在数码时代具有极大应用前景(Nat Nanotechnol，2010，5，574-578)。化学剥离法成本较低，产量大，但是产品为石墨烯微粉，且经过化学反应石墨烯的结构会被破坏，产品能否有效的发挥出石墨烯膜的性能是面临的一大难题，同时还存在污染问题，不过该方法可以利用化学键对石墨烯进行各种功能化，在液体中有较好的分散性(专利号CN 102066245 B)。物理剥离法是对插层的石墨进行超声剥离、机械剥离或者热剥离，其特点类似于化学剥离法，具有成本低，产量大，产品为粉体的特点，虽然物理法比化学剥离法能更好的保持石墨烯结构，但是其片层一般较厚(10层以上)，很难获得单层或者少层的结构(专利号CN 102515155 A)。现有粉状石墨烯主要在储能领域有巨大的应用潜力，如电池，电容器等方面，还有塑料，橡胶等用于增韧，高导等方面，但因为存在上述的问题，还没有大规模的应用，都是在停留在实验室阶段。

综上所述，可以看出石墨烯的制备技术还是相当不成熟的，现有的工业技术也存在不同的问题，严重的影响了石墨烯的应用。特别是在大尺寸的石墨烯膜层制备方面，随着制备石墨烯尺寸的增大，气相沉积所需要的设备也要改进放大，设备投资非常大。

随着研究的深入与技术的不断推进，以石墨烯为基础的器件的功能必将得到进一步提升，并将成为未来纳米器件中的重要成员。然而目前存在的石墨烯场效应晶体管制备工艺研究，由于要集成低温加工工艺，高K电介质制备工艺等大多采用半导体硅做为衬底，然而在任意的衬底如有机或者无机衬底，刚性及柔性衬底上大规模集成具有高性能纳米器件仍然是具有挑战的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种图案化石墨烯的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种图案化石墨烯的制备方法，以带有图案化沟槽结构的容器为反应容器，将溶液I和溶液II分别注入该容器中，其液面低于沟槽上沿，根据沟槽的图案溶液I在溶液II表面形成纳米级厚度的图案化薄膜层，然后该体系经过物理化学处理使溶液I反应，从而得到图案化石墨烯；其中溶液I为石墨烯反应原料或者为溶解或分散有石墨烯反应原料的溶液或悬浮液，溶液II为溶液I的展开液。

优选地，所述的石墨烯反应原料为石墨烯粉末、氧化石墨烯粉末、功能化石墨烯粉末、功能化氧化石墨烯粉末、掺杂石墨烯粉末、掺杂氧化石墨烯粉末、油酸、环己烷、单环或多环的苯及其衍生物中的一种；