掺杂石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂石墨烯及其制备方法。该掺杂石墨烯是采用化学气相沉积法制备的，包括以下步骤：将带有催化剂的衬底放入无氧的反应器中，使衬底的温度达到５００～１２００℃，然后向所述反应器中通入含有碳元素和掺杂元素的物质，得到掺杂石墨烯；其中，所述催化剂为金属或金属化合物。本发明专利技术制备的掺杂石墨烯质量好，制备方法操作方便，简易可行，可用于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
自从石墨烯发现以来，它已成为凝聚态物理和材料科学的新星，引起了人们广 泛的关注。石墨烯是由碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材 料，厚度为一个或多个原子层，仅为头发的二十万分之一。它是构建其它维数碳质 材料(如零维富勒烯、 一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元。按照其层数可以分 为一层或多层石墨烯。完美的石墨烯只包括六角元胞(等角六边形)；如果有五角元 胞和七角元胞存在，那么他们构成石墨烯的缺陷。石墨烯的理论研究已有60多年 的历史，而真正能够独立存在的二维石墨烯由2004年英国曼彻斯特大学的 Novoselov等利用胶带剥离高定向石墨的方法获得。研究显示石墨烯拥有非常优良 的性能和广阔的应用前景，它可以用于制备室温弹道场效应晶体管，单电子器件以 及基于石墨烯的集成电路。此外它还可能应用于复合材料、电池电极材料、储氢材 料、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域。目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂(Novoselov， K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004， 306, 666)、外延生长(Evans, J. W.， Th iel, P. A.; Bartelt， M. C. Sur. Sci. Rep. 2006， 61， 1.)和石墨氧化法(McAllister, M. J., Li, J.; Adamson， D. H.; Schniepp, H. C.; Abdala, A. A.; Liu, J.; Herrera-Alonso， M.; Milius, D. L.; Car, R.; Prud,homme， R. K.; Aksay, I. A. Chem. Mater. 2007, 19, 4396)。这些方法制备的石墨烯基本上都是本征的 石墨烯，目前还没有掺杂石墨烯的相关报道。化学气相沉积法是半导体工业中应用最为常用的沉积技术。其原理为将一种或 多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应，生成一种新的材料沉积在衬底表 面。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种。本专利技术所提供的掺杂石墨烯是采用化学气相沉积法，按照包括以下步骤的方法制备将带有催化剂的衬底放入无氧的反应器中，使衬底的温度达到500 120(TC，然后向所述反应器中通入含有碳元素和掺杂元素的物质，得到掺杂石墨烯；其中， 所述催化剂为金属或金属化合物。带有催化剂的衬底可按照现有的方法制备，如可将金属粉体或金属化合物粉体 放在衬底(石英舟)上得到带有催化剂的衬底；也可将金属或金属化合物通过下述 六种方法中的任一种方法沉积在衬底上得到带有催化剂的衬底化学气相沉积法、 物理气相沉积法、真空热蒸镀法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法和印 刷法。所述方法还包括对掺杂石墨烯进行纯化的步骤，以除去所述催化剂。其中，所述金属为金、银、铜、锌、铁、钴和镍中的一种或其任意组合；所述金属化合物为硫化锌、氧化锌、硝酸铁、氯化铁和氯化铜中的一种或其任意组合。 所述含有碳元素和掺杂元素的物质可以是由至少一种含有碳元素的化合物和至少一种含有掺杂元素的化合物组成的混合物，也可以是一种含有碳元素和掺杂元素的化合物。所述含有碳元素的化合物可为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己 烷或酞菁。所述掺杂元素可为氮、硼和磷中的任一种或其任意组合。当所述掺杂元素为氮时，所述含有掺杂元素的化合物可为氨气、酞菁、胺类有 机物(如三聚氰胺、甲胺、乙胺、乙二胺等)、酰胺类有机物、腈类有机物、重氮 化合物或偶氮类化合物；当所述掺杂元素为硼时，所述含有掺杂元素的化合物可为 硼烷或有机硼化物；当所述掺杂元素为磷时，所述含有掺杂元素的化合物可为磷 化物。所述同时含有碳和掺杂元素的化合物可为吡啶、酞菁、胺类有机物(如三聚氰 胺、甲胺、乙胺、乙二胺等)、酰胺类有机物、腈类有机物、重氮化合物、偶氮类 化合物、有机硼化物或有机磷化物。当制备过程中采用硫化锌、氧化锌、铁、钴、镍等能与酸发生反应的催化剂时， 通过与酸溶液(如盐酸、硫酸、硝酸等)反应除去催化剂；当制备过程中采用金、 银、铜等难与酸发生反应的催化剂时，通过在低压(0.01 750托)高温(600 1500°C)下蒸发除去催化剂。本专利技术将石墨烯晶格中某些碳原子用氮、硼或其他元素的原子取代，得到了掺杂石墨烯，与本征的石墨烯相比其性能发生了巨大的变化。因此石墨烯的掺杂是调 控其电学性质，扩大其应用领域的一个很好的途径。本专利技术通过化学气相沉积法首次成功的制备了掺杂石墨烯；该掺杂石墨烯质量 好，制备方法操作方便，简易可行，可用于大规模生产。 附图说明图l为化学气相沉积装置示意图，其中，l为管式炉，2为石英管，3为衬底， 4为乙醇、吡啶或其它液体，5为气路，6为气路；图2为实施例1中表面沉积有硫化锌的硅衬底的扫描电子显微镜照片；图3为实施例1制备的在硫化锌表面沉积氮掺杂石墨烯的扫描电子显微镜照片；图4为实施例1制备的除去硫化锌后氮掺杂石墨烯的透射电子显微镜照片；图5为实施例1制备的除去硫化锌后氮掺杂石墨烯的扫描电子显微镜照片； 图6为实施例1制备的除去硫化锌后氮掺杂石墨烯的能量色散X射线能谱；图7为实施例1制备的除去硫化锌后氮掺杂石墨烯的X射线光电子能谱，图a为全谱，图b为氮峰；图8为实施例2制备的除去银后氮掺杂石墨烯的扫描电子显微镜照片；图9为实施例3制备的除去银后氮掺杂石墨烯的扫描电子显微镜照片。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术进行详细说明 第一步，催化剂的制备将衬底依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干，然后通过化学气相 沉积、物理气相沉积、真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或印刷 等沉积技术在衬底表面沉积一层金属或金属化合物材料(如硫化锌、氧化锌、金、 银、铜、铁、钴、镍等)作为催化剂；第二步，其化学气相沉积装置如图l所示，将沉积有催化剂的衬底置于洁净的 石英管的中部，将石英管放入电炉中，使石英管的中部位于电炉的中心区域，通入10 2000sccm非氧化性气体(如氢气、氩气等)1 1000分钟后，开始加热；第三步，当电炉中心区域的温度达到500 1200。C时，在非氧化性气体(如氩 气、氢气等)中通入含碳化合物(如一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环 己垸、环己醇、酞菁等)作为碳源，同时通入含有掺杂元素的物质(如氨气、酞菁、胺类有机物、酰胺类有机物、腈类有机物、重氮化合物、偶氮类化合物、硼烷、有 机硼化物、磷垸、磷化物等)作为惨杂源，反应开始进行，碳和掺杂元素在催化剂 表面沉积生成掺杂石墨烯；第四步，反应进行0.5 100分钟后，停止通入含碳化合物和含有掺杂元素的物 质，同时关闭电炉，继续通入非氧化性气体致冷到室温；第五步，进行后处理对于硫化锌、氧化锌、铁、钴、镍等能与酸发生反应的催化剂，将衬底放入酸 溶液(如盐酸、硫酸、硝酸等)浸泡0.5 1000分钟除去催化剂，然后用去离子水 洗净后烘干；对于金、银、铜等难与酸发生反应的催化剂，将放置有衬底的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：采用化学气相沉积法制备掺杂石墨烯，包括以下步骤：将带有催化剂的衬底放入无氧的反应器中，使衬底的温度达到５００～１２００℃，然后向所述反应器中通入含有碳元素和掺杂元素的物质，得到掺杂石墨烯；其中，所述催化剂为金属或金属化合物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云圻，魏大程，王钰，张洪亮，黄丽平，于贵，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]