一种石墨烯的制备方法及制备装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种石墨烯的制备方法及制备装置，该制备方法包括：将片状金属基体悬空放置于反应室内，并使碳源材料接触片状金属基体；利用激光束对片状金属基体的一侧表面进行辐照，从而在片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面生成石墨烯；其中，片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面必须接触碳源材料。该制备装置包括：反应室、基体支撑架、激光发射器、抽真空设备以及气体输入管；基体支撑架固定在反应室内，用于悬空设置片状金属基体；激光发射器所发射的激光束垂直辐照在片状金属基体的表面；抽真空设备和气体输入管均与反应室的内部连通。本发明专利技术实施例能够实现微纳尺寸结构的加工，不仅适用于各种波长的脉冲激光和连续激光，而且其碳源材料可以使用气态碳源，也可以使用固态碳源。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯的制备方法及制备装置
本专利技术涉及石墨烯制备领域，尤其涉及一种石墨烯的制备方法及制备装置。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有独特的载流子输运特性、极高的机械强度、良好的透光性和导电性，因此石墨烯有望在纳米电子器件、超级电容、储氢材料、场发射材料等领域得到广泛的应用。目前，在制备石墨烯的诸多方法中，化学气相沉积法是可控大面积制备石墨烯的有效方法，其制备过程中需要引入金属催化剂来降低碳前驱物的分解势垒并促进石墨烯的形成。激光辅助化学气相沉积法是化学气相沉积法的一种改进方法，主要是利用激光对作为金属催化剂的片状金属基体(简称基体)进行辐照，而基体在吸收激光的能量后会在基体表面形成一定的温度场，反应气体流经基体表面会发生化学反应，从而在基体表面就可以形成石墨烯薄膜。激光辅助化学气相沉积法的具体加工工艺可以参考中国专利CN201310175638.4的描述。激光辅助化学气相沉积法具有高能量密度、高单色性和高方向性等优点，并且高精度的激光热源大幅度地加快了化学气相沉积的反应速率；但是，现有的激光辅助化学气相沉积法至少存在以下缺点：第一，现有的激光辅助化学气相沉积法只能以红外连续激光作为热源，这种高能量密度的激光能够使片状金属基体表面迅速升温，当达到适合温度时，碳源前躯体会经催化裂解后形成碳原子，随着激光光斑的移动，基体表面脱离激光辐照的地方会逐渐降温，从而碳原子会在基体表面沉积或经溶解析出形成石墨烯；与连续激光不同的是，脉冲激光的能量输出是周期性的，当以脉冲激光辐照基底表面时，不仅发生了热作用，而且对基体表面的金属原子和已生成的碳原子有烧蚀或者溅射的去除作用，因此现有的激光辅助化学气相沉积法很难以脉冲激光实现碳原子的结晶生长并形成石墨烯薄膜。第二，现有的激光辅助化学气相沉积法只能以红外连续激光作为热源，红外激光与基体的热作用时间长，不宜用于精细结构加工，特别不宜用于微纳尺寸结构的加工。第三，现有的激光辅助化学气相沉积法只能使用气态碳源作为碳源材料，无法使用固态碳源作为碳源材料。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足之处，本专利技术提供了一种石墨烯的制备方法及制备装置，能够实现微纳尺寸结构的加工，不仅适用于各种波长的脉冲激光和连续激光，而且其碳源材料可以使用气态碳源，也可以使用固态碳源。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯的制备方法，包括：将片状金属基体置于反应室内的步骤，使碳源材料接触片状金属基体的步骤，以及利用激光束对片状金属基体进行辐照从而在片状金属基体表面生成石墨烯的步骤；将片状金属基体悬空放置于反应室内，并使碳源材料接触片状金属基体；利用激光束对片状金属基体的一侧表面进行辐照，从而在片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面生成石墨烯；其中，片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面必须接触碳源材料。优选地，所述的将片状金属基体悬空放置于反应室内，并使碳源材料接触片状金属基体包括：当碳源材料为固态碳源时，先将固态碳源涂覆于片状金属基体表面，再将片状金属基体悬空放置于反应室内；和/或，当碳源材料为气态碳源时，先将片状金属基体悬空放置于反应室内，再将气态碳源通入反应室内，使气态碳源与片状金属基体表面接触。优选地，所述的片状金属基体的厚度小于20μm。优选地，片状金属基体采用Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Nb、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、W或Cu中的至少一种制成。优选地，所述的激光束为连续激光束或脉冲激光束。优选地，所述的激光束聚焦后，再对片状金属基体的一侧表面进行辐照。优选地，还包括：在激光束对片状金属基体进行辐照的过程中，按照预定图案移动激光束和/或片状金属基体，从而控制片状金属基体的表面生长图案化石墨烯。优选地，当采用脉冲激光束对片状金属基体进行辐照时，通过移动激光束和/或片状金属基体，控制片状金属基体的表面生成点状石墨烯。一种石墨烯的制备装置，用于按照上述技术方案中所述的制备方法制备石墨烯，包括：反应室、基体支撑架、激光发射器、抽真空设备以及气体输入管；基体支撑架固定在反应室的内部，并且片状金属基体通过基体支撑架悬空设置于反应室的内部；激光发射器设于反应室的外部，并且激光发射器所发射的激光束垂直辐照在片状金属基体的表面；抽真空设备与反应室的内部连通，用于对反应室的内部抽真空；气体输入管与反应室的内部连通，用于向反应室的内部输入稀有气体、还原气体或碳源气体中的至少一种。优选地，反应室与激光发射器之间设有聚焦镜和/或扩束镜；激光发射器发射的激光束通过聚焦镜和/或扩束镜的处理后，辐照到设于反应室内的片状金属基体上。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例所提供的石墨烯的制备方法及制备装置在激光束辐照在片状金属基体的一侧表面时，激光束作为高能量密度热源会在极短时间内加热片状金属基体的被激光束辐照区域，而片状金属基体会快速进行热传导，与被激光束辐照区域相对应的片状金属基体的另一侧表面也会被加热，由于片状金属基体是悬空放置于反应室内，并且片状金属基体的下表面与碳源材料接触，因此片状金属基体下表面的被加热位置会对碳源材料进行催化，碳源材料经催化裂解后会析出结晶，从而在片状金属基体下表面的被加热位置会生成石墨烯薄膜。这种背部辐照激光束的加热方式，使受激光束辐照表面不为石墨烯生长面，而是将与激光束辐照面相反的一侧表面作为石墨烯生长面，这有效地避免了激光光子对生长的碳原子的破坏作用，因此本专利技术实施例能够实现微纳尺寸结构的加工，不仅适用于各种波长的脉冲激光和连续激光，而且其碳源材料可以使用气态碳源，也可以使用固态碳源。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的石墨烯的制备装置的结构示意图一。图2为本专利技术实施例提供的石墨烯的制备装置的结构示意图二。图3为本专利技术实施例提供的石墨烯的制备装置的结构示意图三。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。下面对本专利技术实施例所提供的石墨烯的制备方法及制备装置进行详细描述。(一)石墨烯的制备方法一种石墨烯的制备方法，其具体包括如下步骤：将片状金属基体悬空放置于反应室内，并使碳源材料接触片状金属基体；利用激光束对片状金属基体的一侧表面进行辐照，从而在片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面生成石墨烯。其中，激光束辐照面是指片状金属基体的被激光束辐照的一侧面，而与激光束辐照面相反的一侧表面就是石墨烯生长面；所述的“相反”是指激光束辐照面与石墨烯生长面是正反面的相对位置关系，例如：如图1所示，当片状金属基体水平放置时，激光束对片状金属基体的上表面进行辐照，那么片状金属基体的上表面就是激光束辐照面，而片状金属基体的下表面就本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯的制备方法，包括：将片状金属基体置于反应室内的步骤，使碳源材料接触片状金属基体的步骤，以及利用激光束对片状金属基体进行辐照从而在片状金属基体表面生成石墨烯的步骤；其特征在于，将片状金属基体悬空放置于反应室内，并使碳源材料接触片状金属基体；利用激光束对片状金属基体的一侧表面进行辐照，从而在片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面生成石墨烯；其中，片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面必须接触碳源材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，包括：将片状金属基体置于反应室内的步骤，使碳源材料接触片状金属基体的步骤，以及利用激光束对片状金属基体进行辐照从而在片状金属基体表面生成石墨烯的步骤；其特征在于，将片状金属基体悬空放置于反应室内，并使碳源材料接触片状金属基体；利用激光束对片状金属基体的一侧表面进行辐照，从而在片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面生成石墨烯；其中，片状金属基体的与激光束辐照面相反的一侧表面必须接触碳源材料；所述的片状金属基体的厚度小于或等于20μm。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的将片状金属基体悬空放置于反应室内，并使碳源材料接触片状金属基体包括：当碳源材料为固态碳源时，先将固态碳源涂覆于片状金属基体表面，再将片状金属基体悬空放置于反应室内；和/或，当碳源材料为气态碳源时，先将片状金属基体悬空放置于反应室内，再将气态碳源通入反应室内，使气态碳源与片状金属基体表面接触。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的片状金属基体采用Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Nb、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、W或Cu中的至少一种制成。4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述的激光束为连续激光束或脉冲激光束。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜娟，高俊彦，刘荣明，王倩，滕阳民，李炳山，
申请(专利权)人：北矿磁材科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11