一种精确控制石墨烯层数的方法技术

本发明专利技术提供了一种对石墨烯层数进行精确控制的方法，包括下述步骤：(1)将多层石墨烯转移到目标基底上，并对所述多层石墨烯的层数进行测定；(2)对转移到所述目标基底上的多层石墨烯进行超快激光扫描辐照，将预期层数的石墨烯进行剥离，以实现对石墨烯层数的精确控制。利用皮秒激光或飞秒激光对大面积多层石墨烯进行辐照，在激光作用区域，通过优化控制超快激光参数(如平均功率、能流密度、重复频率、扫描速度和重复扫描次数)，将一定层数的石墨烯从多层石墨烯样品上去除，进而实现对石墨烯层数的精确控制。

【技术实现步骤摘要】
—种精确控制石墨烯层数的方法
本专利技术属于石墨烯制备与应用领域，具体涉及。
技术介绍
石墨烯(graphene)是由碳原子紧密堆积而成的单层蜂窝状晶格结构碳质新材料，其厚度仅为0.335nm。2010年英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov因“在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验”而获得诺贝尔物理学奖。石墨烯具有优异的电学性质(电子迁移率高达15000cm2/V*s、电阻率仅10_6Ω.cm，比铜和银更低，是电阻率最小的材料)、热学性质(热导系数高达5000W/mK)、光学性质(单层可见光吸收仅2.3%、优异的锁模特性)、物理特性(微弱的自旋-轨道耦合、狄拉克-费米子特性、奇异量子霍尔效应)和力学性质(杨氏模量高达1.0TPa)。石墨烯是目前最薄但最坚硬的纳米材料，其电子能带、物理和化学特性易于调控。上述综合特性为石墨烯材料在微电子、光电子、自旋电子学、微纳传感器、能源、机械等领域的创新应用奠定了坚实的基础。已有一些石墨烯器件问世，如太阳能电池、发光器件、触控屏幕及光探测器等。 石墨烯的制备方法按碳源分类，可分为固相法、气相法和液相法，其中以固相法中的机械剥离高定向热解石墨法(HOPG)、气相法中的化学气相沉积法(CVD)和液相法中的化学还原氧化石墨烯(RGO)应用最为广泛。这几种方法各有优势，也各自存在一定的不足之处。机械剥离法制备的石墨烯质量高，尺寸一般为几微米至几十微米、产率极低，适于微量基础研究；化学气相沉积法可制备大面积的石墨烯多晶薄膜或毫米级单晶片，多晶薄膜存在缺陷、不均匀和不连续等现象。还原氧化法制备的石墨烯多为溶液中的石墨烯纳米条带和石墨烯颗粒，应用范围有限。目前，石墨烯的大面积、高质量、高效制备技术仍然是国内外重点探索的领域之一。 已有研究表明，石墨烯的层数是影响其电学和光学性能的主要因素。不同层数石墨烯的电学特性、光学透过率、电导率等性能均有较大的变化。因此，确定层数石墨烯的制备成为限制石墨烯大规模应用的瓶颈之一。现有的制备方法中，机械剥离法制备的石墨烯很难控制层数，且其尺寸很小，难以实现广泛应用；氧化还原法制备的石墨烯的电学特性存在缺陷，很难得到很薄的石墨烯。化学气相沉积法虽然可以得到单层或者双层的石墨烯，但其工艺参数的稳定性和可重复性难以保证，且在大面积上的层数均匀性不佳。因此，对于用CVD法制备的多层石墨烯进行后续减薄进而对石墨烯层数进行精确调控的方法成为亟待解决的问题。 现有的石墨烯减薄有如下方法:采用连续激光对石墨烯进行辐照，在激光辐照区域，上层石墨烯由于热作用被氧化，而与基底接触的底层石墨烯由于基底的热沉作用其温度小于氧化温度，进而被保留下来，此方法仅能得到单层石墨烯，无法调控层数；先将石墨烯表层氧化或者通过其他方式破坏，然后通过等离子体的辐照去除表层石墨烯。该方法每个循环可去除一层石墨烯，如果要得到较少层数的石墨烯，则需要多次重复此过程，同时其方法对于原始层数不均匀的样品，减薄后其层数仍然不均匀。因此，迄今为止，石墨烯层数的精确调控问题还没有解决。因此，开发一种基于超快激光的通过减薄对石墨烯层数进行精确控制的方法具有重要的研究意义和广阔的应用前景。 激光具有高亮度、高方向性、高相干性和单色性等优异特性，是一种精密可控的高能量密度热源。文献报道激光已经被用于石墨烯的制备研究中，例如激光辅助化学气相沉积(LCVD)制备石墨烯薄膜；激光轰击碳靶材、在镀镍硅基板上沉积石墨烯薄膜；激光还原氧化石墨烯；激光打开碳纳米管；激光切割石墨烯等。超快激光同时具有高单脉冲能量和极短作用时间的特点，一般用于石墨烯的切割、去除和打孔，还没见用于石墨烯减薄进行层数的精确调控。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用超快激光减薄石墨烯对石墨烯层数进行精确控制的方法。其利用超快激光(皮秒激光或飞秒激光)对大面积多层石墨烯(用CVD法或其他方法制备)进行辐照，在激光作用区域，通过优化控制超快激光参数(如平均功率、能流密度、重复频率、扫描速度和重复扫描次数)，通过超快激光光子与石墨烯的相互作用，将一定层数的石墨烯从多层石墨烯样品上去除，进而实现对石墨烯层数的精确控制。 本专利技术所提供的一种对石墨烯层数进行精确控制的方法，具体包括下述步骤: (I)将多层石墨烯转移到目标基底上，并对所述多层石墨烯的层数进行测定； (2)对转移到所述目标基底上的多层石墨烯进行超快激光扫描辐照，通过超快激光光子与石墨烯的相互作用，将预期层数的石墨烯进行剥离，以实现对石墨烯层数的精确控制。 上述方法步骤(1)中，所述多层石墨烯可根据现有方法进行制备，按碳源分类，可分为固相法、气相法和液相法，其中以固相法中的机械剥离高定向热解石墨法(HOPG)、气相法中的化学气相沉积法(CVD)和液相法中的化学还原氧化石墨烯(RGO)应用最为广泛。所述多层石墨烯一般为多晶结构。所述多层石墨烯的层数优选为5-8层，具体可为5层或6层。 所述目标基底选自下述任意一种:带有S12层的硅基片、石英基片、云母基片和柔性基底。所述柔性基底可选自下述任意一种:聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述带有S12层的硅基片中S12层的厚度可为200-400nm。 步骤(1)中，当所述多层石墨烯采用化学气相沉积法(CVD)制备时，所述将多层石墨烯转移到目标基底上的方法如下:用腐蚀剂将生长多层石墨烯的原基底腐蚀，用铜网将基底腐蚀后漂浮于腐蚀剂上的多层石墨烯捞起，移至所述目标基底上。 其中，所述生长石墨烯的原基底为铜箔或镍箔，所述腐蚀剂选自下述至少一种:盐酸和氯化铁，所述腐蚀的条件为:15-30°C下腐蚀30-60min。 步骤(1)中，测定所述多层石墨烯层数的方法可采用本领域公知的方法进行，如拉曼光谱(RAMAN)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、光学显微镜和扫描隧道显微镜(STM)等。 上述方法步骤(2)中，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光， 所述皮秒激光和飞秒激光的波长均为原始波长，或所述皮秒激光和飞秒激光的原始波长倍频后的波长。 所述皮秒激光的原始波长为1064nm。 所述飞秒激光的原始波长为1030nm。 所述皮秒激光的脉冲宽度为l_20ps，具体可为10ps。 所述飞秒激光的脉冲宽度为600-900fs，具体可为800fs。 步骤(2)中，所述超快激光扫描辐照在大气环境下进行。 步骤(2)中，所述超快激光扫描辐照包括下述步骤:超快激光束经过放大镜组单元放大，经折返镜组单元引导到扫描振镜，经f-φ场镜进行聚焦；将石墨烯置于聚焦激光束的焦平面上，在大气环境下激光直接辐照在石墨烯上，进行直线扫描或图案扫描。 所述放大镜组单元的放大倍数为3-5倍； 所述扫描振镜控制光斑进行任意二维平面轨迹的扫描，所述扫描轨迹可由振镜控制软件来设计，所述扫描的扫描速度为l-10000mm/s,具体可为100mm/s、500mm/s、100mm/s;所述f-Φ场镜的焦距为100mm,聚焦后得到的焦斑大小可调，为30-100μηι,具体可为30 μ m、40 μ m。 上述方法步骤(2)中，所述将预期层数的石墨烯进行剥离通过控制超快激光参数来实现。 所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对石墨烯层数进行精确控制的方法，包括下述步骤：(1)将多层石墨烯转移到目标基底上，并对所述多层石墨烯的层数进行测定；(2)对转移到所述目标基底上的多层石墨烯进行超快激光扫描辐照，将预期层数的石墨烯进行剥离，以实现对石墨烯层数的精确控制。

【技术特征摘要】
1.一种对石墨烯层数进行精确控制的方法，包括下述步骤: (1)将多层石墨烯转移到目标基底上，并对所述多层石墨烯的层数进行测定； (2)对转移到所述目标基底上的多层石墨烯进行超快激光扫描辐照，将预期层数的石墨烯进行剥离，以实现对石墨烯层数的精确控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤(1)中，所述多层石墨烯的层数优选为5-8层； 所述目标基底选自下述任意一种:带有S12层的娃基片、石英基片、z?母基片和柔性基底；所述柔性基底选自下述任意一种:聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷；所述带有S12层的娃基片中S12层的厚度为200nm-400nm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于:步骤(1)中，所述多层石墨烯采用化学气相沉积法制备，所述将多层石墨烯转移到目标基底上的方法如下:用腐蚀剂将生长多层石墨烯的原基底腐蚀，用铜网将基底腐蚀后漂浮于腐蚀剂上的多层石墨烯捞起，移至所述目标基底上。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:步骤(2)中，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光； 所述皮秒激光和飞秒激光的波长均为原始波长，或所述皮秒激光和飞秒激光的原始波长倍频后的波长； 所述皮秒激光的原始波长为1064nm ； 所述飞秒激光的原始波长为1030nm ； 所述皮秒激光的脉冲宽度为l_20ps ； 所述飞秒激光的脉冲宽度为600...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟敏霖，林喆，张红军，叶晓慧，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11