一种制备三维石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备三维石墨烯的方法。该方法，是在化学气相沉积的过程中，利用无模板无催化剂的方法直接通过控制碳源流量在多种衬底上生长三维石墨烯。通过改变碳源的流量来控制碳源浓度从而达到对三维石墨烯密度与高度可控的效果。本发明专利技术公开的方法，与传统的方法相比，大大降低了制备过程的繁琐与成本，而且提高了对所制备三维石墨烯密度与高度的可控性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料领域，涉及一种制备三维石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是一种单原子层厚度的碳材料，具有一系列独特的性质，比如超常的载流子迁移率(200,000cm2V-1s-1)，超高的热导率(5300Wm-1K-1)，极好的光透过率(97.7％)以及优异的机械性能。近年来，石墨烯已经被报道在光电子学、能量转化、电催化、生物检测等众多领域具有潜在应用。因而，为了实现这些应用，对石墨烯的尺寸、形貌、边缘结构、功能化等进行了大量的研究来调控石墨烯的性质。到目前为止，二维的本征石墨烯已经被扩展到零维的石墨烯量子点、一维的石墨烯纳米带以及三维的石墨烯网络结构。其中，三维石墨烯由于其独特的形貌结构特征，被证明具有许多不同于二维石墨烯本体的电学、化学以及机械性质。由于具有很高的比表面积和高密度的活性位点，三维石墨烯被广泛应用于生物与化学检测(ACSAppl.Mater.Inter.2012,4,3129.；Small2013,9,1703.；Nanoscale2015,7,2427.)。优异的电导率以及超高的表面积使三维石墨烯可以作为电极应用于高性能的柔性超级电容器(Small2011,7,3163.；ACSNano2012,6,3206.；ACSNano2013,7,4042.)。由于其独特的垂直形貌、高的边缘密度以及突出的电荷传输能力，三维石墨烯被证明具有优异的场发射性能(Appl.Phy.Lett.2011,98,263104.)。此外，作为由于具有低密度、可调节的电导率以及超高的可压缩性，三维石墨烯被用于超轻、可控的高性能宽带微波吸附(Adv.Mater.2015,27,2049.)。因而，实现温和、可控、高效率的三维石墨烯制备对于科学研究以及工业应用都具有重要的意义。三维石墨烯包括石墨烯泡沫和垂直直立石墨烯两种形式。其中石墨烯泡沫基本上采用模板法制备，比如利用化学气相沉积法在三维的金属泡沫、碳网络结构等模板上生长得到三维的石墨烯泡沫(Nat.Mater.2011,10,424.；ACSNano2012,6,4020.；Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,1404.；Adv.Mater.2015,27,2049.)。但是此种方法需要复杂的模板设计以及后续的模板刻蚀来除去模板。而且模板以及刻蚀剂的残留通常是不可避免的，往往会影响甚至降低最终的三维石墨烯的性能。而垂直直立石墨烯一般都是通过等离子体辅助化学气相沉积或者微波辅助化学气相沉积来制备(Adv.Mater.2002,14,64.；Adv.EnergyMater.2013,3,1316.；Adv.Mater.2013,25,5799.；Adv.Mater.2013,25,5638.；ACSNano2014,8,5873.)。但是这些方法需要使用额外的设备以及严苛的生长环境如超低压等；而且所制备的三维石墨烯的形貌、密度、高度等难以实现可控。如果能够在多种基底上直接实现三维石墨烯的可控高效生长，对于三维石墨烯的大面积制备以及广泛工业应用将开辟新的道路。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备三维石墨烯的方法。本专利技术提供的制备三维石墨烯的方法，包括如下步骤：在氢气和氩气气氛中，通入碳源气体于衬底上进行化学气相沉积，沉积完毕后于所述衬底上得到所述三维石墨烯。上述制备方法中，所述衬底为单晶硅、二氧化硅/硅、石英片或二氧化锆/硅；所述单晶硅的厚度为250-500微米，具体为400微米；所述二氧化硅/硅中，二氧化硅层的厚度为250-400纳米，具体为300纳米；硅层的厚度为250-500微米，具体为400微米；所述石英片的厚度为1-3毫米，具体为1毫米；所述二氧化锆/硅中，二氧化锆层的厚度为10-50纳米，具体为20纳米；硅层的厚度为250-500微米，具体为400微米。所述碳源气体为甲烷、乙烯或乙烷，具体为甲烷；所述碳源气体、氢气和氩气的流量比为7.0：50：50至14.0：50：50；具体的，所述碳源的流量为7.0-14.0sccm，具体可为7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5或14.0sccm；所述氢气的流量为50sccm；所述氩气的流量为50sccm。所述碳源、氢气与氩气的流量比为7.0-10.0：50：50时，所得三维石墨烯的密度与高度较小；所述碳源的流量具体为7.0或7.5或8.0或8.5或9.0或9.5或10.0sccm时，所述氢气的流量为50sccm，所述氩气的流量为50sccm；所述碳源、氢气与氩气的流量比为10.0-14.0：50：50时，所得三维石墨烯的密度与高度较大；其中，所述碳源的流量具体为10.5或11.0或11.5或12.0或12.5或13.0或13.5或14.0sccm时，所述氢气的流量为50sccm，所述氩气的流量为50sccm；所述化学气相沉积步骤中，时间为2-8小时，具体为2、4或6小时；压强为0-1.01×105Pa，但不为0，所述压强具体为1.01×105Pa。温度为1000-1250℃，具体为1130℃。所述方法还包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之前，将所述衬底进行退火。具体的，所述退火步骤中，退火的气氛为氢气和氩气气氛；氢气的流量为10-100sccm，具体为50sccm；氩气的流量为10-100sccm，具体为50sccm；退火的时间为10-60分钟，具体为30分钟。另外，所述方法还包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之前，将所述衬底进行如下预处理：将所述衬底依次用去离子水、丙酮、乙醇超声清洗后，氮气吹干，再用由浓硫酸和双氧水组成的混合液浸泡，去离子水超声清洗，氮气吹干；其中，所述由浓硫酸和双氧水组成的混合液中，双氧水的质量百分浓度为70％；所述浓硫酸和双氧水的体积比为3：7；所述浸泡步骤中，浸泡的时间具体可为30分钟；所述超声清洗步骤中，时间具体可为3分钟。所述方法还可包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之后，将体系在氩气和氢气的混合气氛中冷却；所述冷却步骤中，氩气的流量具体为50sccm；氢气的流量具体为50sccm；此外，按照上述方法制备得到的三维石墨烯，也属于本专利技术的保护范围。其中，所述三维石墨烯的密度与高度可以精确调控。本专利技术提供的制备三维石墨烯的方法，是在化学气相沉积的过程中，利用无模板无催化剂的方法直接通过控制碳源流量在多种衬底上生长三维石墨烯。通过改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备三维石墨烯的方法，包括如下步骤：在氢气和氩气气氛中，通入碳源气体于衬底上进行化学气相沉积，沉积完毕后于所述衬底上得到所述三维石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种制备三维石墨烯的方法，包括如下步骤：
在氢气和氩气气氛中，通入碳源气体于衬底上进行化学气相沉积，沉积完毕后于
所述衬底上得到所述三维石墨烯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述衬底为单晶硅、二氧化硅/硅、
石英片或二氧化锆/硅；
所述单晶硅的厚度为250-500微米；
所述二氧化硅/硅中，二氧化硅层的厚度为250-400纳米；硅层的厚度为250-500
微米；
所述石英片的厚度为1-3毫米；
所述二氧化锆/硅中，二氧化锆层的厚度为10-50纳米；硅层的厚度为250-500微
米。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述碳源气体为甲烷、乙烯
或乙烷；
所述碳源气体、氢气和氩气的流量比为7.0：50：50至14.0：50：50；

【专利技术属性】
技术研发人员：于贵，王华平，耿德超，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11