一种在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法技术

本发明专利技术提供了一种在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法，包括：将石墨烯样品放入等离子体处理器真空腔，并将腔内气压抽至1Pa以下；通入惰性气体，并通过质量流量计将气压控制在10

【技术实现步骤摘要】
一种在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法


[0001]本专利技术涉及膜分离
，尤其涉及一种在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法。

技术介绍

[0002]膜分离是一种简便、高效和安全的分离技术，广泛应用于化学化工、生物医疗以及能源等领域，分离膜的性能优劣决定了膜分离过程的效率高低。衡量分离膜性能主要通过两个重要参数，一个是透过性，即目标分子穿过膜的速率，另一个是选择性，即对非目标分子的截留性能。然而，传统高聚物分离膜中透过率和选择性之间往往存在着此消彼长的折中。为进一步提升性能，多种新型材料被用于制备分离膜，为同时实现高通量和高选择性，分离膜应具有极薄的厚度和极有序的纳米孔结构。石墨烯是一种仅由碳原子组成的单原子层二维纳米材料，此外，石墨烯杨氏模量高，物理化学性质稳定，因此具有作为新一代分离膜的潜力。但是，完美的石墨烯不透过除氢气和质子以外的几乎所有分子和离子，为实现分离性能，必须在石墨烯上引入高性能纳米孔来实现分子筛分。因此，为满足石墨烯在分离膜领域的应用需求，在石墨烯中引入纳米孔至关重要。这种纳米孔应具有高密度且具有较窄的孔径分布。
[0003]现有技术中关于制备纳米孔石墨烯的技术包括：等离子体刻蚀、聚焦离子束、聚焦电子束、离子轰击、化学液相刻蚀、高温氧化、紫外-臭氧刻蚀、纳米粒子刻蚀、嵌段共聚物光刻法、离子轰击-液相刻蚀联用、离子轰击-等离子体刻蚀联用和等离子体刻蚀-臭氧刻蚀联用等。但是，涉及离子轰击的技术方法，受到仪器的限制，操作过程较复杂，且适用样品尺寸较小，最大尺寸也仅是几厘米，而其他可放大的制备方法，在石墨烯上引入的纳米孔无法同时实现高密度及较窄的孔径分布。石墨烯上纳米孔的生成分为两个阶段：纳米孔生成及纳米孔扩大。传统刻蚀方法无法有效地分离这两个阶段，在孔生长过程中引入的纳米孔孔径要远远小于其他的纳米孔，导致了孔径分布变宽，并且这些额外的小孔有可能会和其附近的其他纳米孔合并，产生更大的无选择性的大孔，进一步导致孔径分布变宽。
[0004]上述方法得到的普遍为亚纳米孔或十纳米以下的纳米孔，不适用于尺寸为几十纳米至若干微米的高密度微米孔的制备。石墨烯上纳米孔的生成分为两个阶段：纳米孔生成及纳米孔扩大。传统刻蚀方法无法有效的分离这两个阶段，导致无法引入同时具有高密度且孔径分布较窄的纳米孔。因此，亟需一种操作简便、适用于大面积样品且孔径分布在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法，以解决现有问题中的缺陷。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0007]一种在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法，包括如下步骤：
[0008]将石墨烯样品放入等离子体处理器真空腔，并将腔内气压抽至1Pa以下；通入惰性气体，并通过质量流量计将气压控制在10-300Pa，开启等离子体处理机，将起辉功率控制在0-100W，处理时间为0-300s，得到处理后的石墨烯样品；
[0009]将所述的处理后的石墨烯样品放入法拉第笼，并放入至等离子体处理器，将处理器本底真空抽至1Pa以下，然后通入刻蚀气体，通入刻蚀气体后保持气压在10-200Pa，最后开启等离子体处理器，将起辉功率控制在1-50W,处理时间10s-180s，处理后得到了引入纳米孔的石墨烯薄膜。
[0010]优选地，石墨烯样品为采用化学气相沉积法制备的在铜片上附着的石墨烯。
[0011]优选地，惰性气体为氩气或氮气。
[0012]优选地，刻蚀气体为氢气或氧气。
[0013]优选地，石墨烯样品为不大于2cm*10cm的长方形。
[0014]优选地，惰性气体为氦气、四氯化碳或六氟化硫。
[0015]优选地，刻蚀气体为臭氧、水蒸气或氯气。
[0016]由上述本专利技术的在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法提供的技术方案可以看出，本专利技术根据石墨烯纳米孔的生成机理，采用两个独立的等离子体刻蚀过程，实现了对这两个阶段的有效分离，分别调控石墨烯纳米孔的密度及孔径分布，从而实现在石墨烯二维材料上引入高密度、窄分布的纳米孔，突破了现有技术中的瓶颈，最终得到的纳米孔的密度可达1.3*10
12
cm-2
，孔径分布在0.3nm～1nm。
[0017]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本实施例的在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法流程示意图；
[0020]图2为采用在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法的制备原理图；
[0021]图3为处理后的石墨烯样品的拉曼光谱表征图；
[0022]图4为利用拉曼光谱表征计算得到的石墨烯缺陷密度随氩等离子体处理时间的变化趋势图；
[0023]图5为采用本实施例方法最终得到的纳米孔石墨烯的拉曼表征光谱图；
[0024]图6为石墨烯缺陷密度随氧气处理时间的变化趋势图；
[0025]图7为D峰与D
’
峰比值随氧气时间的变化趋势图；
[0026]图8为本实施例方法得到的墨烯纳米孔的透射显微镜表征图；
[0027]图9为采用传统方法制备的纳米孔石墨烯和本实施例方法制备的纳米孔石墨烯分离性能对比图。
具体实施方式
[0028]下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。
[0029]本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0030]本
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在石墨烯上引入纳米孔的解耦合刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：将石墨烯样品放入等离子体处理器真空腔，并将腔内气压抽至1Pa以下；通入惰性气体，并通过质量流量计将气压控制在10-300Pa，开启等离子体处理机，将起辉功率控制在0-100W，处理时间为0-300s，得到处理后的石墨烯样品；将所述的处理后的石墨烯样品放入法拉第笼，并放入至等离子体处理器，将处理器本底真空抽至1Pa以下，然后通入刻蚀气体，通入刻蚀气体后保持气压在10-200Pa，最后开启等离子体处理器，将起辉功率控制在1-50W,处理时间10s-180s，处理后得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：王路达，陈笑博，张盛萍，段弘伟，宋瑞洋，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：