一种以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：制备铜箔衬底，并依次进行清洗、干燥、退火及冷却，然后留作备用；制备掺杂石墨烯量子点，将其旋涂至铜箔衬底表面，自然干燥；放置于CVD热炉中，在氩气和氢气氛围下，通入甲烷，在1000℃条件下甲烷分解，以掺杂石墨烯量子点为形核点外延生长形成掺杂石墨烯；在掺杂石墨烯表面旋涂PMMA的有机溶液；对掺杂石墨烯表面进行烘干，掺杂石墨烯表面的有机溶剂挥发，形成PMMA保护层；将上述样品浸泡至过硫酸铵溶液中，将铜箔衬底腐蚀，然后取出用去离子水冲洗；将样品用滤纸转移至目标衬底，并进行烘烤，使得掺杂石墨烯与目标衬底粘结；将样品转移至丙酮溶液中溶解PMMA保护层。

A Method of Preparing Doped Graphene Using Doped Graphene Quantum Dots as Nucleation Point

The invention discloses a method for preparing doped graphene using doped graphene quantum dots as nucleation points, including the following steps: preparing copper foil substrates, cleaning, drying, annealing and cooling in turn, then reserving them; preparing doped graphene quantum dots, spinning them onto the surface of copper foil substrates, natural drying; placing them in CVD hot furnace, in argon and hydrogen atmosphere; The doped graphene was grown by epitaxy with doped graphene quantum dots as nucleation point. The organic solution of PMMA was spin-coated on the doped graphene surface. The doped graphene surface was dried and the organic solvent on the doped graphene surface was volatilized to form PMMA protective layer. The copper foil substrate was rotted by immersing the above samples in ammonium persulfate solution. After etching, the samples were washed with deionized water; the samples were transferred to the target substrate with filter paper and baked to bond the doped graphene to the target substrate; and the samples were transferred to acetone solution to dissolve PMMA protective layer.

【技术实现步骤摘要】
一种以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法
本专利技术涉及一种以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法，属于石墨烯生产领域。
技术介绍
石墨烯是二维纳米材料，具有由sp2杂化碳原子组成的蜂窝状六方晶格结构。其独特的结构使其具有出色的热学性能，机械性能和电气性能，可实现各种潜在应用，如热界面材料，超薄保护涂层，高频场效应晶体管和印刷电路。然而，本征石墨烯在电子领域中的应用受到其零带隙特性的限制，获得具有在一定范围内可调节带隙的石墨烯尤其重要。到目前为止，打开带隙的最有效方法之一是通过异质原子掺杂如氮(N)、硼(B)等原子，从而可以实现石墨烯n型或p型半导体性质。石墨烯的掺杂方法有很多种。如今，石墨烯的掺杂可以通过以下方法制备：(i)直接合成路径，如化学气相沉积(CVD)和电弧放电等，以及(ii)后合成路径，如等离子体暴露，热退火和利用含有异质原子的等离子气体轰击。这些方法中，CVD工艺被认为是制造具有相对高质量的可控掺杂石墨烯薄膜的最有效方法。特别是，大多数学者都被研究氮掺杂石墨烯(NG)所吸引，因为氮原子的大小接近碳原子的大小，并且很容易嵌入石墨烯晶格中以实现掺杂，与碳原子相比，石墨烯晶格中的氮具有进入导带的电子能量，打开石墨烯带隙的同时具有n型掺杂性质，从而获得n型氮掺杂石墨烯半导体。但现有掺杂工艺具有掺杂浓度低，浓度不可控，工艺复杂，成本较高，容易造成环境污染等缺点，限制了掺杂石墨烯的工业化应用。因此，急需一种制备工艺简单、成本低、质量高、大面积的石墨烯掺杂制备技术，为我国微电子技术进入非硅CMOS时代提供材料和技术支撑。利用掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯可以省去原有的形核过程，实现石墨烯的快速生长，并能够实验高浓度掺杂石墨烯的制备。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种掺杂浓度高，浓度可控，工艺简单，成本较低，环保的以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法。解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：步骤一：制备铜箔衬底，并依次进行清洗、干燥、退火及冷却，然后留作备用；步骤二：制备掺杂石墨烯量子点，将其旋涂至铜箔衬底表面，自然干燥；步骤三：放置于CVD热炉中，在氩气和氢气氛围下，通入甲烷，在1000℃条件下甲烷分解，以掺杂石墨烯量子点为形核点外延生长形成掺杂石墨烯；步骤四：在掺杂石墨烯表面旋涂PMMA的有机溶液；步骤五：对掺杂石墨烯表面进行烘干，掺杂石墨烯表面的有机溶剂挥发，形成PMMA保护层；步骤六：将上述样品浸泡至过硫酸铵溶液中，将铜箔衬底腐蚀，然后取出用去离子水冲洗；步骤七：将样品用滤纸转移至目标衬底，并进行烘烤，使得掺杂石墨烯与目标衬底粘结；步骤八：将样品转移至丙酮溶液中溶解PMMA保护层；步骤九：取出样品，并进行烘干。本专利技术通过对石墨烯量子点(GQDs)进行异质原子的掺杂实现掺杂石墨烯的制备。掺杂类型由异质原子确定，理论上可以制备各种元素掺杂的石墨烯，掺杂浓度与石墨烯量子点的浓度满足一定关系，以保证制备的掺杂石墨烯结构恒定可控。掺杂石墨烯量子点作为成核点，能够使得掺杂石墨烯快速生长，所获得的异质原子掺杂石墨烯具有掺杂均匀和掺杂浓度高的优点。制备的异质原子掺杂石墨烯在电气测试中显示出典型的n型或p型半导体特性。本专利技术所述掺杂石墨烯量子点中的掺杂元素为N和/或P。本专利技术所述N和/或P的掺杂浓度正比于石墨烯量子点浓度。本专利技术所述氩气流量为200sscm，氢气流量为10sccm，甲烷流量为5sccm，PMMA的浓度为2g/L，丙酮温度为80℃，样品在丙酮内浸泡时间不少于3小时。本专利技术所述过硫酸铵浓度为60g/L，过硫酸铵不会对掺杂石墨烯产生腐蚀。本专利技术步骤七中，目标衬底为Si/SiO2，由掺杂石墨烯量子点形成的掺杂石墨烯与SiO2通过加热粘结。本专利技术相比现有技术有以下优点：1、发挥石墨烯量子具有石墨烯晶格结构的特点，利用掺杂石墨烯量子点作为形核点，省去原有形核过程，实现快速外延生长石墨烯。2、本掺杂方法不同于其他掺杂方法，不需要大量异质原子溶液处理，节约成本，保护环境。3、本制备技术利用铜箔为生长衬底，可以实现比其他衬底更快的生长速度和更好的制备质量，实现了均匀的单层石墨烯的制备。4、结合了传统CVD生长石墨烯简单易行的特点，制备的掺杂石墨烯品质高，非常有利于大面积生产。5、CVD技术在半导体行业已是成熟的工艺技术，采用本专利技术的制备技术可以实现与现有半导体技术的相兼容，推动石墨烯材料在产业界的广泛应用。【附图说明】下面结合附图对本专利技术做进一步的说明：图1为本专利技术实施例掺杂石墨烯的TEM图；图2为本专利技术实施例掺杂石墨烯中碳元素的EDS元素图谱；图3为本专利技术实施例掺杂石墨烯中氮元素的EDS元素图谱；图4为本专利技术实施例掺杂石墨烯中磷元素的EDS元素图谱；图5为本专利技术实施例掺杂石墨烯的拉曼谱线；图6为本专利技术实施例掺杂石墨烯的X射线光电子能谱。【具体实施方式】下面结合本专利技术实施例的附图对本专利技术实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本专利技术的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。实施例：如图1-4所示，本实施例展示的一种以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：步骤一：清洗铜箔衬底，将铜箔裁剪成合适的尺寸，依次置于丙酮、酒精和去离子水中分别超声清洗10分钟，清洗过后，将铜片衬底置于干燥箱，自然干燥，干燥过后，将铜箔衬底置于CVD加热炉中，在1000℃，氩气200sccm，氢气10sccm的环境下退火30min。自然冷却到室温后将铜箔取出待用；步骤二：制备掺杂石墨烯量子点，利用无水乙醇稀释到合适的浓度，将其在1000rpm转速的旋涂机上旋涂30s至铜箔衬底表面，自然干燥；步骤三：将样品放置于CVD热炉中，在200sccm氩气和10sccm氢气的保护下，通入5sccm的甲烷，在1000℃条件下甲烷分解，保温30分钟，以掺杂石墨烯量子点为形核点外延生长形成掺杂石墨烯，自然冷却至室温，掺杂石墨烯生长完成。步骤四：在掺杂石墨烯表面旋涂浓度为2g/L的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的有机溶液，旋涂转速为3000r/min，旋涂时间为30s；步骤五：在热板上180℃条件下对掺杂石墨烯表面进行烘干，去除PMMA中残余的有机溶剂，并增加PMMA与掺杂石墨烯之间的结合力，形成PMMA保护层；步骤六：将PMMA/掺杂石墨烯/铜箔衬底结构放置于腐蚀铜箔衬底的硫酸铵溶液中，将铜箔衬底腐蚀，然后取出用去离子水冲洗，其中过硫酸铵溶液的浓度为60g/L；步骤七：用滤纸将样品从腐蚀液中取出，转移至去离子水中，反复清洗多次后用滤纸将PMMA/掺杂石墨烯结构捞出，转移至目标衬底，并进行烘烤，使得掺杂石墨烯与目标衬底粘结；步骤八：将样品转移至丙酮溶液中80本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：制备铜箔衬底，并依次进行清洗、干燥、退火及冷却，然后留作备用；步骤二：制备掺杂石墨烯量子点，将其旋涂至铜箔衬底表面，自然干燥；步骤三：放置于CVD热炉中，在氩气和氢气氛围下，通入甲烷，在1000℃条件下甲烷分解，以掺杂石墨烯量子点为形核点外延生长形成掺杂石墨烯；步骤四：在掺杂石墨烯表面旋涂PMMA的有机溶液；步骤五：对掺杂石墨烯表面进行烘干，掺杂石墨烯表面的有机溶剂挥发，形成PMMA保护层；步骤六：将上述样品浸泡至过硫酸铵溶液中，将铜箔衬底腐蚀，然后取出用去离子水冲洗；步骤七：将样品用滤纸转移至目标衬底，并进行烘烤，使得掺杂石墨烯与目标衬底粘结；步骤八：将样品转移至丙酮溶液中溶解PMMA保护层；步骤九：取出样品，并进行烘干。

【技术特征摘要】
1.一种以掺杂石墨烯量子点为形核点制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：制备铜箔衬底，并依次进行清洗、干燥、退火及冷却，然后留作备用；步骤二：制备掺杂石墨烯量子点，将其旋涂至铜箔衬底表面，自然干燥；步骤三：放置于CVD热炉中，在氩气和氢气氛围下，通入甲烷，在1000℃条件下甲烷分解，以掺杂石墨烯量子点为形核点外延生长形成掺杂石墨烯；步骤四：在掺杂石墨烯表面旋涂PMMA的有机溶液；步骤五：对掺杂石墨烯表面进行烘干，掺杂石墨烯表面的有机溶剂挥发，形成PMMA保护层；步骤六：将上述样品浸泡至过硫酸铵溶液中，将铜箔衬底腐蚀，然后取出用去离子水冲洗；步骤七：将样品用滤纸转移至目标衬底，并进行烘烤，使得掺杂石墨烯与目标衬底粘结；步骤八：将样品转移至丙酮溶液中溶解PMMA保护层；步骤九：取出样品，并进行烘干。2.根据权利要求1所述的以掺杂石墨烯量子点为形核点制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，胡绪瑞，李久荣，陈达，朱伟，赵梦晗，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33