一种石墨烯功能化纳米针尖及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯功能化纳米针尖，是表面覆盖有连续石墨烯层的金属针尖，所述金属针尖的尖端直径为10～500nm，石墨烯和针尖表面具有良好的界面接触。本发明专利技术还提出所述石墨烯功能化纳米针尖的制备方法。本发明专利技术提出的石墨烯功能化纳米针尖，具有优良的针尖形貌，针尖尖端尖锐，表面平整；在大面积范围内形成的石墨烯连续且无褶皱。由于石墨烯本身优良的电学性能以及石墨烯和针尖表面的良好界面接触，本发明专利技术所述方法制备的石墨烯功能化纳米针尖拥有通常金属针尖所不能比拟的导电性能和耐用性。另外，石墨烯本身的化学稳定性，保证了改功能化纳米针尖的抗氧化性。

Graphene functionalized nano needle tip and preparation method thereof

The present invention provides a graphene functionalized nano-tip, which is a metal tip covered with a continuous graphene layer. The diameter of the metal tip is 10-500 nm. The graphene and the tip surface have good interface contact. The invention also provides a preparation method of the graphene functionalized nano needle tip. The graphene functionalized nano-tip of the invention has excellent tip morphology, sharp tip, flat surface, and graphene formed in a large area is continuous and wrinkle-free. Due to the excellent electrical properties of graphene itself and the good interface contact between graphene and tip surface, the graphene functionalized nano-tip prepared by the method has electrical conductivity and durability which are incomparable with those of conventional metal tip. In addition, the chemical stability of graphene itself ensures the oxidation resistance of functionalized nanotips.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯功能化纳米针尖及其制备方法
本专利技术属于金属材料功能化领域，具体涉及一种以石墨烯材料修饰的针尖及其制备的方法。
技术介绍
随着纳米材料和纳米技术的兴起，纳米材料功能化针尖的制备及其在不同领域的应用引起了全世界研究人员的广泛兴趣。基于纳米材料本身的特殊结构和性质，这些功能化纳米针尖通常拥有优异的力学和电学性能。例如，纳米金刚石针尖因其出色的力学性能和耐用性在纳米加工和摩擦学测试领域有良好的应用前景[1,2]。导电氧化亚钨纳米棒功能化针尖可用作多探针原子力显微镜(AFM)探针，在微米纳米尺度上对不同材料进行灵活的电学测量和力学评价[3,4]。另外，碳纳米管修饰的针尖阵列可用于神经元电学测量方面并具有更高的灵敏性和生物兼容性[5]。石墨烯是具有原子级别厚度的由碳六元环组成二维晶体结构，自2004年问世以来，已经成为纳米材料领域的研究热点。石墨烯拥有许多别的材料无法比拟的力学和电学性质。单层石墨烯的杨氏模量为1Tpa，电子迁移率室温下可达105cm2V-1s-1，并且能够耐受的电流密度是铜的106倍[6]。因此，石墨烯功能化针尖被广泛认为在纳米加工和电学测量领域具有出色的应用潜能。Duan等人利用物理转移方法将事先利用化学气相沉积(CVD)方法制备的石墨烯片吸附在硅基AFM针尖表面，提高了针尖的稳定性和耐用性[7]。然而，物理吸附的方法不能保证石墨烯层和针尖表面的良好接触，缺乏对尖端部分的形貌控制。因此，在针尖表面，尤其是尖端部分，原位生长石墨烯成为该领域的趋势。CVD法是目前石墨烯生长的一种主要方法，通常需要严格处理的基底表面和很高的生长温度(～1000℃)[8-10]。Gimzewski和Liu等人分别尝试利用CVD法在镀有Cu和Au的AFM针尖表面原位生长石墨烯[11,12]。然而，由于生长所需要的长时间高温环境，所得到的石墨烯功能化针尖的尖端尺寸在微米级别并且尖端结构不可控。迄今为止，研究人员仍然无法制备具有纳米尖端尺寸并且拥有可控针尖结构的石墨烯功能化探针。参考文献[1]H.Bhaskaran,B.Gotsmann,A.Sebastian,U.Drechsler,M.A.Lantz,M.Despont,P.Jaroenapibal,R.W.Carpick,Y.Chen,K.Sridharan,NatNanotechnol2010,5,181.[2]H.J.Kim,N.Moldovan,J.R.Felts,S.Somnath,Z.T.Dai,T.D.B.Jacobs,R.W.Carpick,J.A.Carlisle,W.P.King,Nanotechnology2012,23,495302.[3]T.Nakayama,O.Kubo,Y.Shingaya,S.Higuchi,T.Hasegawa,C.S.Jiang,T.Okuda,Y.Kuwahara,K.Takami,M.Aono,AdvMater2012,24,1675.[4]O.Kubo,Y.Shingaya,M.Nakaya,M.Aono,T.Nakayama,ApplPhysLett2006,88,254101.[5]E.W.Keefer,B.R.Botterman,M.I.Romero,A.F.Rossi,G.W.Gross,NatNanotechnol2008,3,434.[6]K.S.Novoselov,V.I.Fal'ko,L.Colombo,P.R.Gellert,M.G.Schwab,K.Kim,Nature2012,490,192.[7]M.Lanza,A.Bayerl,T.Gao,M.Porti,M.Nafria,G.Y.Jing,Y.F.Zhang,Z.F.Liu,H.L.Duan,AdvMater2013,25,1440.[8]Z.P.Chen,W.C.Ren,L.B.Gao,B.L.Liu,S.F.Pei,H.M.Cheng,NatMater2011,10,424.[9]K.V.Emtsev,A.Bostwick,K.Horn,J.Jobst,G.L.Kellogg,L.Ley,J.L.McChesney,T.Ohta,S.A.Reshanov,J.Rohrl,E.Rotenberg,A.K.Schmid,D.Waldmann,H.B.Weber,T.Seyller,NatMater2009,8,203.[10]Y.B.Chen,J.Y.Sun,J.F.Gao,F.Du,Q.Han,Y.F.Nie,Z.Chen,A.Bachmatiuk,M.K.Priydarshi,D.L.Ma,X.J.Song,X.S.Wu,C.Y.Xiong,M.H.Rummeli,F.Ding,Y.F.Zhang,Z.F.Liu,AdvMater2015,27,7839.[11]Y.G.Wen,J.Y.Chen,Y.L.Guo,B.Wu,G.Yu,Y.Q.Liu,AdvMater2012,24,3482.[12]C.Martin-Olmos,H.M.Rasool,B.H.Weiller,J.K.Gimzewski,AcsNano2013,7,4164.
技术实现思路
针对现有技术存在的不足之处，本专利技术的目标之一是提供一种石墨烯功能化纳米针尖。本专利技术的另一目的是提出所述石墨烯功能化纳米针尖的制备方法。实现本专利技术上述目的的技术方案为：一种石墨烯功能化纳米针尖，是表面覆盖有连续石墨烯层的金属针尖，所述金属针尖的尖端直径为10～500nm，石墨烯和针尖表面具有良好的界面接触。进一步地，所述金属针尖的材料为Ni、Co、W中的一种或两种的复合，复合的方式为镀层和基材复合。针尖尖端的顶角为10～70°。优选地，所述石墨烯为单层和多层结构，且针尖尖端处为单层、远离尖端处逐渐过渡为多层；石墨烯覆盖针尖面积为从顶端往下10～200μm。基于现有的显微观察条件，单层结构的石墨烯位置大约在针尖尖端往下100nm范围内，多层结构的石墨烯位置大约在针尖尖端下100nm～200μm范围内。一种石墨烯功能化纳米针尖的制备方法，包括以下步骤：1)将金属针尖与碳源接触，再通过热处理，使金属针尖表面形成碳化层；所述碳源为高纯石墨靶或含碳分子；2)在气体保护条件下，通过通电加热或退火的方式，在金属针尖表面形成石墨烯；所述通电加热方式，是将带有碳化层的金属针尖固定在导电载体上，在导电载体两端施加瞬间电压，使瞬间电流通过导电载体产生焦耳热，热传导至金属针尖上，在金属针尖表面形成石墨烯；所述退火的温度为500～600℃。其中，所述金属针尖经过酸洗去除氧化层、水清洗、吹干后，与碳源接触。本专利技术的优选技术方案为，所述碳源为高纯石墨靶，高纯石墨靶通过磁控溅射方法将碳蒸发至金属针尖表面，再通过退火处理形成碳化层；或，所述碳源为含碳分子，将金属针尖置于反应釜中的含碳分子溶液内，高温密闭(反应釜密闭，其压力是自然升压，压力小于5.0MPa)条件下，在金属针尖表面形成碳化层。其中，步骤1)中，所述碳源为三乙二醇、三乙醇胺、间苯二酚、葡萄糖中的一种或多种、和氢氧化钠的混合，所述碳源为液体或被配置成0.01～5mol/L的溶液。可选地，所述碳源是三乙二醇、三乙醇胺、间苯二酚中的一种，按体积比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯功能化纳米针尖，其特征在于，是表面覆盖有连续石墨烯层的金属针尖，所述金属针尖的尖端直径为10～500nm，石墨烯和针尖表面具有良好的界面接触。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯功能化纳米针尖，其特征在于，是表面覆盖有连续石墨烯层的金属针尖，所述金属针尖的尖端直径为10～500nm，石墨烯和针尖表面具有良好的界面接触。2.根据权利要求1所述的石墨烯功能化纳米针尖，其特征在于，所述金属针尖的材料为Ni、Co、W中的一种或两种的复合，复合的方式为镀层和基材复合，针尖尖端的顶角为10～70°。3.根据权利要求1所述的石墨烯功能化纳米针尖，其特征在于，所述石墨烯为单层和多层结构，且针尖尖端处为单层、远离尖端处逐渐过渡为多层；石墨烯覆盖针尖面积为从顶端往下10～200μm。4.一种石墨烯功能化纳米针尖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将金属针尖与碳源接触，再通过热处理，使金属针尖表面形成碳化层；所述碳源为高纯石墨靶或含碳分子；2)在气体保护条件下，通过通电加热或退火的方式，在金属针尖表面形成石墨烯；所述通电加热方式，是将带有碳化层的金属针尖固定在导电载体上，在导电载体两端施加瞬间电压，使瞬间电流通过导电载体产生焦耳热，热传导至金属针尖上，在金属针尖表面形成石墨烯；所述退火的温度为500～600℃。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属针尖是以金属丝为原料，经电化学腐蚀制成；金属针尖经过酸洗去除氧化层、...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建勋，赵宇亮，梁建波，葛逸飞，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11