[发明专利]一种电子束诱导的图案化石墨烯及其制备方法

说明书

本发明涉及石墨烯材料制备领域，提出一种电子束诱导的图案化石墨烯及其制备方法。本发明采用金属纳米材料对聚合物进行掺杂，然后利用电子束以扫描方式辐照聚合物表面，在电子束的高瞬时能量和金属纳米材料的催化下，聚合物表面直接转化为高质量石墨烯。在制备的同时，利用电子束的高指向性，还可以同步的得到图案化的石墨烯，从而有利于直接将其纳入电子器件中进行应用。由于电子束的束斑直径可控范围大，一方面可以利用毫米级的束斑实现高效率的石墨烯制备，另一方面也可以根据需要利用纳米级的束斑实现高精度的石墨烯图案化。本发明制备的石墨烯性能优异，且操作简单、原料易得，可以满足不同应用需求，尤其是在电子器件领域的应用，因此便于推广。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯及其制备技术，具体涉及一种电子束诱导的图案化石墨烯及其制备方法，属于新材料石墨烯技术领域。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化形式成键形成的具有蜂窝状六边形结构的二维原子晶体，单层石墨烯的厚度仅为0.34nm，是目前已知最轻薄的材料，同时具有结构稳定、比表面大、导电性强、强度及韧性高等诸多优势，其独特的力学、电学、光学、热学等理化性能使其具有非常广阔的应用前景。

而石墨烯产业化应用的前提是规模化与低成本的制备。目前，石墨烯的制备方法包括物理法和化学法两种，物理方法通常是以石墨或膨胀石墨为原料，通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯，这种方法通常难以规模化生产，或者石墨烯片层团聚严重导致产物质量较低。化学法是目前石墨烯制备更常用的方法，包括化学气相沉积法、外延生长法、氧化石墨还原法等。其中，Cu箔催化的化学气相沉积法和SiC表面的外延生长法可以获得较高质量的石墨烯，但生产条件苛刻，成本较高。而氧化石墨还原法制备的石墨烯的缺陷和氧化基团较多，限制了其在电子器件方面的应用。因此，发展新的兼具石墨烯质量、规模和成本的制备方法成为石墨烯应用领域的一个瓶颈。

2014年，James.M Tour课题组基于激光诱导技术，利用高度聚焦的激光在聚合物表面产生的瞬时局部高温直接将聚酰亚胺转化为石墨烯(NATURE COMMUNICATIONS|5:5714|DOI:10.1038/ncomms6714)，开辟了石墨烯制备的新途径。该方法工艺简单、不使用溶剂和化学药剂，可以制备出清洁无污染的石墨烯。同时，基于激光的高指向性，可以在制备的同时，实现石墨烯的图案化，从而有利于将石墨烯纳入电子器件中进行应用。虽然是极大的进步，但所使用的的波长10.6微米的CO2红外激光的聚焦直径一般在100-150微米范围内，一方面无法通过大于150微米、甚至毫米级别的光斑来实现更高效的石墨烯制备，从而限制了该方法制备石墨烯的效率。另一方面也无法通过低于1微米，甚至纳米级别的光斑来实现石墨烯图案的超精细制作，限制了该方法在微纳电子器件领域的应用。

相反，电子束由于比激光更短的波长、更强的能量密度，其聚焦束斑直径可以控制在0.5nm到10mm之间，从而可以根据实际应用需求，实现更高效的石墨烯制备或更精细的石墨烯图案制作。同时电子束的能量转换效率可达80-90％，远比能量转换效率30-40％的CO₂激光更高，使用电子束实现石墨烯的制备更加节能减排。

但是，目前仍然没有基于电子束技术直接将固态聚合物转化为石墨烯的研究报道和专利申请。这是因为电子束与聚合物基底相互作用的机理与激光并不相同，CO2红外激光与聚合物的相互作用可以理解为单纯的光热作用，而电子束与聚合物之间除了存在热效应外，还可能存在撞击效应、溅射效应和注入效应，因此反应机理更加复杂。中国发明专利申请号201610254128.X公开了利用高能电子束辐照法制备氮掺杂石墨烯量子点的方法，包括两个步骤，首先经过已知的化学法制备石墨烯量子点水溶液，再与含氮试剂混合，通过电子束辐照来获得氮掺杂石墨烯量子点。该方法较为繁琐，没有通过电子束辐照直接从固体碳源得到石墨烯材料，而是利用电子束对石墨烯进行氮掺杂。