一种碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料及其制备方法与应用，所述薄膜材料由碳化硅/石墨烯纳米晶须密集生长于衬底表面得到，所述碳化硅/石墨烯纳米晶须由层数为2～3层的石墨烯外延生长于碳化硅晶须表面得到，碳化硅/石墨烯纳米晶须之间具有连贯的孔隙结构，形成“纳米森林”形貌的薄膜材料。本发明专利技术提供的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料具有导电率高、比表面积大、物理化学性质稳定的特性，使负极材料双层电容大幅度提高，显示出良好的倍率性能和循环稳定性。

A kind of SiC / graphene composite nano forest film material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料及其制备方法与应用
本专利技术属于储能薄膜材料
，具体涉及一种碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料及其制备方法与应用。
技术介绍
随着石油能源的日益减少和环境污染的日益严重，新一代的清洁储能装置的研究越来越受关注。超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、环境友好等优点，是电化学储能领域的研究热点，也是未来混合动力汽车和电动汽车优选的动力能源，具有广阔的应用前景，有望成为新型的绿色能源。超级电容器的性能与采用的电极材料密切相关。碳化硅材料具有优异的化学稳定性，良好的机械强度，宽带隙和高电子迁移率，最近已被证明有潜力作为负极材料应用于平面超级电容器。在碳化硅的同质多形体中，立方碳化硅是唯一能在硅(Si)基板上生长且性能优异的晶型，因此可以与成熟的硅半导体技术相兼容。然而，纯相的立方碳化硅的电导率较低，限制了其作为超级电容器电极材料的应用。石墨烯是目前最薄、最硬、电阻最小的材料，具有极低的电阻率和极快的电子迁移率，常被用于制备复合材料以提升半导体材料的导电性能。因此，将碳化硅与石墨烯复合制备得到的碳化硅/石墨烯复合材料不仅具有抗氧化、耐腐蚀、物理化学性质稳定、高强度等性能，同时具有高电导率、高导热率等优异性质。目前，碳化硅/石墨烯复合薄膜主要采用化学气相沉积法制备，然而，复合薄膜中石墨烯主要为多层结构(大于15原子层),石墨烯多层堆叠使其电学活性显著降低，此外，常规CVD法制备的碳化硅/石墨烯复合薄膜中石墨烯主要分布在碳化硅晶粒之间，石墨烯之间可接触活化面积小，导致电极比电容小。因此，迫切需要对碳化硅/石墨烯复合薄膜从结构上进行改进，提升碳化硅/石墨烯复合薄膜的比表面积及导电性和稳定性，制备具有高双层电容、高循环稳定性的平面超级电容器。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料及其制备方法和应用，该复合薄膜材料比表面积大、导电性强，作为电极具有高比电容，高循环稳定性的特点。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：提供一种碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料，所述薄膜材料由碳化硅/石墨烯纳米晶须密集生长于衬底表面得到，所述碳化硅/石墨烯纳米晶须由层数为2～3层的石墨烯外延生长于碳化硅晶须表面得到，碳化硅/石墨烯纳米晶须之间具有连贯的孔隙结构，形成“纳米森林”形貌的薄膜材料。按上述方案，所述碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料厚度为5～30μm，所述碳化硅/石墨烯纳米晶须的直径为40～60nm，长度为200～600nm。本专利技术还提供上述碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料的制备方法，具体步骤如下：1)放样：将清洗好的基片放入激光化学气相沉积腔体中，调整基片位置使其位于激光照射覆盖区域内；2)抽真空并通入气体调压：将所述激光化学气相沉积腔体抽真空到10Pa以下，通入稀释气体H2和含有前驱体HMDS的载流Ar，调节沉积压强并稳定5分钟；3)沉积：打开激光升温程序，采用红外热成像仪对基片表面温度进行实时监测，升温到沉积温度进行沉积，沉积结束后先关闭HMDS前驱体气体和载流Ar，30秒后依次关闭H2，激光，将激光化学气相沉积腔体抽真空到10Pa以下，使基片冷却至室温，在基片表面得到碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料。按上述方案，步骤1)所述基片选自单晶硅片、多晶硅片、石墨毡、石墨片，基片直径为1～4英寸。按上述方案，步骤2)中H2流量为500～2000sccm，载流Ar的流量为25～50sccm，前驱体HMDS流量为3～6sccm。按上述方案，步骤2)中沉积压强为400～1600Pa。按上述方案，步骤3)中所述激光器功率为230～290W，激光照射输出波长为808～1064nm。按上述方案，步骤3)沉积温度为1150～1250℃，沉积时间为5～30min。本专利技术还包括上述碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料作为电极材料的应用。本专利技术还包括根据上述碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料制备得到的超级电容器。本专利技术的原理在于：本专利技术采用激光化学气相沉积法制备碳化硅/石墨烯复合薄膜，通过控制沉积参数(激光功率，沉积压强，前驱体浓度，稀释气体流量)和沉积工艺控制碳化硅晶核形成密度和发育过程，前驱体浓度和沉积压强主要影响碳化硅晶核密度，而激光功率影响晶粒的生长发育过程，在成核密度大，激光能量适中的条件下，碳化硅晶粒会呈晶须状并随机取向生长，形成三维多孔的纳米森林结构。同时，激光和H2的刻蚀作用会使形成的碳化硅晶须表面的Si原子外扩散形成SiHX，碳化硅表面剩余的C原子原位外延生长形成石墨烯结构，通过控制工艺条件(沉积气压，稀释气体和HMDS的比例)，使形成的石墨烯为2～3层，具有更高的电学活性。用作电极材料时，石墨烯的优异电导性可以有效减小电极材料的内阻，形成三维连续导电网络，从而有利于双层电荷的累积。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的碳化硅/石墨烯纳米森林复合薄膜不仅具有比表面积大、导电率高的特点，作为电极材料比电容高，同时具有耐腐蚀、耐高温特性，在大幅提高电极材料比电容的同时还提高了复合材料的循环稳定性，适用于超级电容器电极材料领域。2、本专利技术通过激光化学气相沉积法直接沉积碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜，避免在电极中使用粘结剂，减少粘结剂等非活性物质对电极活性材料产生影响，石墨烯外延生长在独立的碳化硅晶须表面，避免了石墨烯层的重新堆积，石墨烯的层数为2～3层，不仅有效活性面积大，还具有更高的电学活性，制备方法工艺简单，环保，便于大规模工业化生产，并且适用于硅基制造平面超级电容器件的制造工艺。附图说明图1是本专利技术碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜的结构示意图；图2是实施例1制备的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜的场发射扫描显微镜成像图；图3是实施例1制备的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜电极的电化学性能测试CV曲线和充放电曲线；图4是实施例1制备的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜电极的循环稳定性测试图；图5是实施例2制备的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜的场发射扫描显微镜成像图；图6是实施例3制备的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜的场发射扫描显微镜成像图；图7是实施例3制备的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜的透射电子显微镜成像图和石墨烯外延生长结构示意图；图8是对比例1得到的不同形貌的碳化硅/石墨烯复合薄膜及实施例1制备的碳化硅/石墨烯纳米森林薄膜的场发射扫描显微镜成像对比图；图9是对比例1制备的不同形貌碳化硅/石墨烯复合薄膜及实施例1制备的碳化硅/石墨烯纳米森林薄膜的电化学性能测试CVq曲线对比图和双层电容值对比图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述，下面实施例只对于本专利技术做进一步说明，不会构成对本专利技术保护范围的限制。本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料，其特征在于，所述薄膜材料由碳化硅/石墨烯纳米晶须密集生长于衬底表面得到，所述碳化硅/石墨烯纳米晶须由层数为2～3层的石墨烯外延生长于碳化硅晶须表面得到，碳化硅/石墨烯纳米晶须之间具有连贯的孔隙结构，形成“纳米森林”形貌的薄膜材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料，其特征在于，所述薄膜材料由碳化硅/石墨烯纳米晶须密集生长于衬底表面得到，所述碳化硅/石墨烯纳米晶须由层数为2～3层的石墨烯外延生长于碳化硅晶须表面得到，碳化硅/石墨烯纳米晶须之间具有连贯的孔隙结构，形成“纳米森林”形貌的薄膜材料。


2.根据权利要求1所述的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料，其特征在于，所述碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料厚度为5～30μm，所述碳化硅/石墨烯纳米晶须的直径为40～60nm，长度为200～600nm。


3.一种权利要求1或2所述的碳化硅/石墨烯复合纳米森林薄膜材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)放样：将清洗好的基片放入激光化学气相沉积腔体中，调整基片位置使其位于激光照射覆盖区域内；
2)抽真空并通入气体调压：将所述激光化学气相沉积腔体抽真空到10Pa以下，通入稀释气体H2和含有前驱体HMDS的载流Ar，调节沉积压强并稳定5分钟；
3)沉积：打开激光升温程序，采用红外热成像仪对基片表面温度进行实时监测，升温到沉积温度进行沉积，沉积结束后先关闭HMDS前驱体气体和载流Ar，30秒后依次关闭H2，激光，将激光化学气相沉积腔体抽真空到10Pa以下，使基片冷却至室温，在基片表面得到碳化硅/石墨烯复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂溶，孙清云，章嵩，张联盟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42