一种金刚石表面制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供了一种金刚石表面制备石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，（a）金刚石表面的预处理，以去除表面杂质和表面应力，（b）把处理好的金刚石颗粒和铁镍粉均匀混合装入石墨坩埚，放入管式炉中，快速升温，退火处理后冷却至室温，（c）将步骤（b）中的反应完的样品取出，过筛，放入稀酸中浸泡，清洗干燥获得表面包裹的石墨烯金刚石粉体。本发明专利技术直接在金刚石颗粒表面生长石墨烯，无需二次转移，有效避免了二次转移过程中引入杂质和晶格缺陷，并且生长的石墨烯具有较小的晶格失配和表面变化。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石表面制备石墨烯的方法
本专利技术属于石墨烯制备领域，具体的涉及一种金刚石表面直接制备石墨烯的方法。
技术介绍
金刚石是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质，其化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，耐高压高温，不易老化，抗辐射能力强。还具有非磁性、不导电性和亲油疏水性等特点。相比较硅等电子材料，金刚石具有着更加优越的物理性能。能够使金刚石在微电子领域得到广泛的应用，具有极其重要的理论和应用价值。石墨烯是一种由碳原子通过sp2杂化轨道成键而成的、具有六边形蜂窝状晶格结构的二维原子晶体材料。具有超高的载流子迁移率、超高的机械强度和热导率、优异的透光性和导电性、超高的比表面积等。石墨烯一系列优异的特性使其在诸多领域中都有广阔的应用前景，如射频晶体管、透明导电薄膜、锂离子电池、超级电容器、光电检测、功能复合材料等。石墨烯还具有着巨大的经济效益。目前石墨烯的制备方法主要是以下几种，微机械剥离、化学气相沉积法、氧化还原法和碳化硅外延生长法，而以铜镍为基体的化学气相沉积法是当前最具前景的大面积单层石墨烯合成法是获得大面积高质量、层数可控的石墨烯的主要方法。但是由于金属的存在会对构筑器件的导电性产生影响，所以通过此种方法制备的石墨烯必须转移到介电层上才能构成有效的组装器件，复杂的转移过程总是不可避免地带来石墨烯的破损、褶皱，金属、溶剂残留污染以及操作繁复、成本高昂等问题。这对于制备高性能的电子器件是非常不利的。因此，转移过程成为了制约石墨烯制备工艺发展的极大难题，在一定程度上限制了石墨烯的应用与发展。r>
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提供了一种简单方便，性能优异的石墨烯制备方法，以解决现有技术中制备石墨烯转移导致引入杂质及晶格缺陷问题，使金刚石不仅具有自身的优异特性还兼具石墨烯的优异特性。本专利技术提供了一种金刚石表面制备石墨烯的方法，包括：（a）金刚石表面的预处理，以去除表面杂质和表面应力，（b）把处理好的金刚石颗粒和铁镍粉均匀混合装入石墨坩埚，放入管式炉中，快速升温，退火处理后冷却至室温，（c）将步骤（b）中的反应完的样品取出，过筛，放入稀酸中浸泡，清洗干燥获得表面包裹的石墨烯金刚石粉体。所述步骤（a）中将金刚石颗粒放入浓硫酸和双氧水的混合溶液中，在60-80℃的温度下浸泡1-3小时后，用蒸馏水清洗干净，然后用丙酮或无水乙醇超声清洗0.5-2小时，取出金刚石放入蒸馏水中超声清洗，干燥后使用。所述步骤（b）中金刚石、铁和镍按质量比为2~5:1~2:1~2，高温工艺处理过程中保温温度为1200-1500℃，保温时间为1-3小时，高温退火处理环境为真空环境或者惰性气体环境，所述反应过程中不加入额外碳源。优选地金刚石、铁和镍质量比为3-5:1:1。所述步骤（c）中按照金刚石粒度与铁镍金属粉粒度不同过筛，然后放入稀硫酸，稀盐酸或稀硝酸等强无机酸中浸泡0.5-2小时，清洗干燥。所述步骤（a）中浓硫酸和双氧水的体积比为2-3:1。所述步骤（a）中金刚石为单晶金刚石、多晶金刚石或聚晶金刚石之一或其组合。所述步骤（b）中高温升温速率为10℃/min至20℃/min，降温速率为5℃/s至10℃/s。本专利技术实施例与现有技术相比存在的有益效果为：本专利技术通过处理金刚石颗粒直接在金刚石表面生长石墨烯，无需采用镀膜技术在金刚石表面镀覆金属膜，更无须采用金属片为基底生长转移石墨烯，减少简化工艺流程，通过高温退火工艺，使触媒金属铁镍促进金刚石表面的碳从sp3向sp2转变，溶解到铁镍触媒中，降温过程中碳原子扩散到铁镍原子表面重构生成石墨烯核,并进一步沿核继续生长至与其它石墨烯核相连，形成多层石墨烯，多层石墨烯的边缘部分与金刚石表面碳原子形成强的C-C健，就得到了以金刚石为载体表面直接生长多层石墨烯的目的。附图说明图1中曲线1为实施例2中得到的金刚石表面拉曼图谱，曲线2为实施例3中得到的金刚石表面拉曼图谱，从图中可以看出金刚石的拉曼峰，石墨烯的G峰和2D峰，从2D峰和G峰的比例可以看出已经在金刚石上制备了多层石墨烯。图2为实施例2的中金刚石表面石墨烯的扫描电镜图，从图中可以看到多层石墨烯的结构。具体实施方式以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出特定的系统结构，技术方法具体细节，以便更透彻理解本专利技术实施例。本专利技术提供了一种金刚石表面制备石墨烯的方法，步骤（a）金刚石的预处理，以除去金刚石表面杂质，先配置溶液，浓硫酸和双氧水的体积比为2-3:1配置混合溶液，首先将一定量的金刚石放入该混合溶液中，并将温度加热到60-80℃，处理时间为0.5-3小时，取出金刚石用蒸馏水清洗干净，然后用丙酮或无水乙醇溶液中超声清洗30分钟以上，从而去除金刚石表面的杂质，烘干备用。所述混合溶液中酸与蒸馏水的比例为1:10。步骤（b）称取2-5g金刚石，1g铁粉和1g镍粉均匀混合，装入石墨坩埚中，放入管式炉，待真空度抽到10-3pa以下，设置好升温程序到1200-1500℃，保温1-3小时，然后以设置好的降温程序冷却至室温，取出。其中升温程序为低于800℃以10℃每分，800以上摄氏度以20℃每分，降温程序600℃以上10℃每秒降温，600℃以下5℃每秒冷却至室温即可。步骤(c)中取出退火后的金刚石后，根据金刚石粒度和铁镍粉粒度不同使用不同的筛子筛分，筛分后根据铁镍粉的加入量确定稀酸的体积和浸泡时间。实施例1称量70-80粒径的金刚石粉3g，把金刚石放入浓硫酸：双氧水为2:1的混合溶液中加热到60℃，浸泡2小时，用蒸馏水清洗为中性后，放入乙醇或丙酮中超声清洗30分钟，干燥使用。称量铁镍粉各1g和金刚石粉均匀混合，装入石墨坩埚中放进管式炉，将管式炉中气压抽至10-3pa，启动加热程序至1200℃，保温2h，按程序冷却至室温，取出。根据金刚石铁镍粉的粒径不同选择不同的筛网筛分除去过剩的铁镍粉，然后把金刚石放入稀强酸中浸泡30分钟，清洗干燥，获得表面镀覆有石墨烯的金刚石粉体。实施例2称量70-80粒径的金刚石粉5g，把金刚石放入浓硫酸：双氧水为3:1的混合溶液中加热到80℃，浸泡0.5小时，用蒸馏水清洗为中性后，放入乙醇或丙酮中超声清洗30分钟，干燥使用。称量铁镍粉各2g和金刚石粉均匀混合，装入石墨坩埚中放进管式炉，将管式炉中气压抽至10-3pa，启动加热程序至1500℃，保温1h，按程序冷却至室温，取出。根据金刚石铁镍粉的粒径不同选择不同的筛网筛分除去过剩的铁镍粉，然后把金刚石放入稀强酸中浸泡30分钟，清洗干燥，获得表面镀覆有石墨烯的金刚石粉体。实施例3称量35-40粒径的单晶金刚石5g，把金刚石放入浓硫酸：双氧水为3:1的混合溶液中加热到60℃，浸泡3小时，用蒸馏水清洗为中性后，放入乙醇或丙酮中超声清洗30分钟，干燥使用。称量铁镍粉各2g和金刚石粉均匀混合，装入石墨坩埚中放进管式炉，将管式炉中气压抽至10-3pa，启动加热程序至1500℃，保温2h，按程序冷却至室温，取出。根据金刚石铁镍粉的粒径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石表面制备石墨烯的方法，其特征在于，包括：（a）金刚石表面的预处理，以去除表面杂质和表面应力，（b）把处理好的金刚石颗粒和铁镍粉均匀混合装入石墨坩埚，放入管式炉中，快速升温，退火处理后冷却至室温，（c）将步骤（b）中的反应完的样品取出，过筛，放入稀酸中浸泡，清洗干燥获得表面包裹的石墨烯金刚石粉体。/n

【技术特征摘要】
1.一种金刚石表面制备石墨烯的方法，其特征在于，包括：（a）金刚石表面的预处理，以去除表面杂质和表面应力，（b）把处理好的金刚石颗粒和铁镍粉均匀混合装入石墨坩埚，放入管式炉中，快速升温，退火处理后冷却至室温，（c）将步骤（b）中的反应完的样品取出，过筛，放入稀酸中浸泡，清洗干燥获得表面包裹的石墨烯金刚石粉体。


2.如权利要求1所述的一种金刚石表面制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（a）中将金刚石颗粒放入浓硫酸和双氧水的混合溶液中，在60-80℃的温度下浸泡1-3小时后，用蒸馏水清洗干净，然后用丙酮或无水乙醇超声清洗0.5-2小时，取出金刚石放入蒸馏水中超声清洗，干燥后使用。


3.如权利要求1所述的一种金刚石表面制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（b）...

【专利技术属性】
技术研发人员：余威，栗正新，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41