超级石墨烯玻璃及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种超级石墨烯玻璃及其制备方法与应用。该方法包括：将作为基底的玻璃清洗干燥后，置于化学气相沉积系统中进行化学气相沉积，沉积完毕降温至室温，得到所述超级石墨烯玻璃。根据玻璃的种类，选择性地利用不同种类的化学气相沉积法在选定的玻璃基底上直接生长高质量且层数可控的石墨烯，从而实现超级石墨烯玻璃的制备。本方法实现了在各种各样的玻璃基底表面可控厚度的石墨烯薄膜的直接制备，制备出的石墨烯玻璃样品具有包罗万象的超级性质。该发明专利技术首次关注超级石墨烯玻璃的制备，对于石墨烯玻璃的基础研究及规模化应用都具有重大意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料领域，涉及一种超级石墨烯玻璃及其制备方法与应用。
技术介绍
石墨烯是只有一个原子厚度、具有六边形蜂窝状晶体结构的二维原子晶体，它是由碳sp2杂化轨道成键而成。石墨烯良好的机械强度、超高的载流子迁移率(理论预测可以高达200,000cm2·V-1·s-1)、优异的导电性和层数相关的高透光性等独特性能，使其在场效应晶体管、透明导电薄膜、超级电容器等领域有广阔的应用前景。特别是在光学方面，石墨烯在从可见光至远红外范围内保持良好的透光性，单层吸光率仅为2.3％，结合其优异的导电性及柔韧性，石墨烯有望取代ITO，FTO等材料成为下一代的透明导电“明星材料”。玻璃是一种极其常见的、透明的非晶体材料，通常情况下是一种表面亲水的绝缘体。普通玻璃的主要成分是二氧化硅，而掺杂或混入特定成分(如金属离子)可导致形形色色(如有色)玻璃的制备。玻璃廉价易得，广泛应用于家居、建筑、装饰等日常生活的各个方面。石墨烯与玻璃的结合，即将石墨烯覆盖在玻璃上，使其具有导电、疏水、导热、生物相容等不同于常规玻璃的新奇物性，又不影响整体的透明度，因此具有重大的现实意义和应用价值。目前，将石墨烯覆盖(coating)在玻璃上最常见的方法是将在金属基底上化学气相沉积(CVD)生长的石墨烯转移至玻璃基底。然而，这种方法受限于工序繁复、引入杂质缺陷以及降低薄膜质量等因素。因此，专利技术在玻璃上快捷简便和低成本的石墨烯直接生产方法，对于石墨烯和玻璃的基础研究和规模化应用至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超级石墨烯玻璃(也即石墨烯玻璃)及其制备方法与应用。本专利技术提供的超级石墨烯玻璃，由作为基底的玻璃和位于所述玻璃基底上的石墨烯组成；且所述石墨烯位于所述玻璃基底的一面或两面。上述超级石墨烯玻璃中，所述玻璃选自白玻璃、蓝玻璃、绿玻璃、褐玻璃、石英玻璃、蓝宝石玻璃、蓝色钴玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、AZO玻璃、钠钙玻璃、硼硅玻璃、柔性云母玻璃、硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃中的至少一种；其中，所述白玻璃、蓝玻璃、绿玻璃、褐玻璃和石英玻璃的厚度均为1mm-10mm，具体为4mm；所述超级石墨烯玻璃也可为按照下述本专利技术提供的方法制备而得的产品。本专利技术提供的制备所述超级石墨烯玻璃的方法，包括如下步骤：以前述玻璃为基底，于化学气相沉积系统中，通入碳源进行化学气相沉积，沉积完毕降温至室温，得到所述超级石墨烯玻璃。该方法使用直接生长的方法进行制备，因而能够避免通常的转移方法所引入的水层或高分子膜残余物等杂质。上述方法还包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之前，将所述基底进行清洗干燥；所述清洗干燥步骤中，所用清洗剂具体为超纯水、异丙醇或丙酮；清洗的方法具体为超声清洗；超声的功率具体为70-90W，更具体为80W；所述清洗干燥更具体包括如下步骤：将所述基底依次用超纯水、异丙醇、丙酮和超纯水各清洗3-5min，再用氮气吹干。所述化学气相沉积步骤中，碳源选自甲烷和乙烯中的至少一种；沉积温度为400℃-1100℃，具体为1000℃-1020℃；沉积时间为30min-480min；所述降温步骤为程序控制降温或自然降温；所述程控降温步骤中，由沉积温度至600℃为自然降温，依照玻璃冷却成型的工艺条件，设定延缓在600℃-450℃的降温过程，此区间内降温时间设为2小时(通常为20分钟)，如由600℃至450℃的降温速率可设定为1℃/min-1.5℃/min，使其玻璃更好的成型，表面平滑，抑制液-固转变过程中样品内部及表面气泡和裂纹的产生。由450℃至室温为自然降温所述化学气相沉积步骤中，沉积的方法选自常压热化学气相沉积法(APCVD)、熔融热化学气相沉积法(molten-stateAPCVD)和等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)中的至少一种；所述玻璃的软化温度不高于630℃时，所述沉积的方法具体选自熔融热化学气相沉积法(molten-stateAPCVD)和等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)中的至少一种；所述玻璃的软化温度高于900℃时，所述沉积的方法具体为常压热化学气相沉积法(APCVD)。所述常压热化学气相沉积法(APCVD)的具体步骤包括：将玻璃基底放入常规石英管中，在常压环境下通入载气，基底升温至设定炉温，在保持载气通入的条件下而后通入碳源气体，高温下碳源气体裂解为活性基团，在基底表面沉积，实现石墨烯的直接生长；具体的，所述常压热化学气相沉积法(APCVD)中，沉积环境为1个大气压；载气为由氩气和氢气组成的混合气；沉积温度为950℃-1100℃，优选1000℃-1050℃，具体为1020℃；沉积时间为60min-480min，优选180min；氩气的流量为50-500sccm，优选100sccm；氢气的流量为50-200sccm；氩气与氢气的流量比为2：0.5-1.5，优选2：1；碳源的流量为1-50sccm，具体为7sccm；所述熔融热化学气相沉积法(molten-stateAPCVD)的具体步骤包括：将切割好的玻璃基底放在特质的平整石墨模具中，然后将整个模具放入常规石英管中，基底升温至设定炉温，模具中的玻璃高温软化为熔融液态，而后通入碳源气体，在高温下裂解为活性基团，而熔融状态的玻璃利于碳活性物种的迁移，降温过程采取程控降温模式，实现了石墨烯在熔融玻璃基底的直接生长；所述熔融热化学气相沉积法(molten-stateAPCVD)中，载气为由氩气和氢气组成的混合气；沉积温度为1000℃-1100℃，优选1000℃；沉积时间为30min-480min，优选120min；-氩气的流量为50-500sccm，优选150sccm；氢气的流量为2-100sccm，具体为20sccm；氩气与氢气的流量比为1-100：1，优选7.5：1；碳源的流量为1-20sccm，优选6sccm；所述等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)的具体步骤包括：将玻璃基底放入等离子体增强化学气相沉积腔体中，抽真空至0.4-170Pa的环境(具体为1Pa)，通入碳源气体，基底升温到设定炉温；而后开启等离子体电源，使碳氢化合物离化裂解成活性基团，在基底表面发生反应，实现石墨烯的直接生长。所述等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)中，沉积环境为真空度为0.4-170Pa的环境，真空度具体为1Pa；沉积温度为400℃-600℃；等离子体电源的功率为40-100W，优选80W；碳源的流量为2-7sccm，优选5.5s本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备石墨烯玻璃的方法，包括如下步骤：以玻璃为基底，于化学气相沉积系统中，通入碳源进行化学气相沉积，沉积完毕降温至室温，得到所述石墨烯玻璃。

【技术特征摘要】
1.一种制备石墨烯玻璃的方法，包括如下步骤：
以玻璃为基底，于化学气相沉积系统中，通入碳源进行化学气相沉积，沉积完毕
降温至室温，得到所述石墨烯玻璃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述玻璃选自白玻璃、蓝玻璃、
绿玻璃、褐玻璃、石英玻璃、蓝宝石玻璃、蓝色钴玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、AZO
玻璃、钠钙玻璃、硼硅玻璃、柔性云母玻璃、硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃中的至少一种；
其中，所述白玻璃、蓝玻璃、绿玻璃、褐玻璃和石英玻璃的厚度均为1mm-10mm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积步骤中，
碳源选自甲烷和乙烯中的至少一种；
沉积温度为400℃-1100℃；
沉积时间为30min-480min；
所述降温步骤为程序控制降温或自然降温；
所述程序控制降温中，由沉积温度至600℃为自然降温，由600℃至450℃的降温
速率为1℃/min-1.5℃/min，由450℃至室温为自然降温。
4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：所述化学气相沉积步骤中，
沉积的方法选自常压热化学气相沉积法、熔融热化学气相沉积法和等离子体增强化学
气相沉积法中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述常压热化学气相沉积法中，
沉积环境为1个大气压；载气为由氩气和氢气组成的混合气；沉积温度为950℃-1100
℃；沉积时间为60min-480min；氩气与氢气的流量比为2：0.5-1.5；
所述熔融热化学气相沉积法中，载气为由氩气和氢气组成的混合气；沉积温度为
1000℃-1100℃；沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠范，孙靖宇，陈宇滨，张艳锋，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11