基于刻蚀辅助机制的石墨烯玻璃制备方法技术

本公开提供一种基于刻蚀辅助机制的石墨烯玻璃制备方法及采用该方法制备的石墨烯玻璃，该方法包括：提供一玻璃基底，玻璃基底置于反应腔室；通入碳源，于玻璃基底上进行等离子体增强化学气相沉积反应生长石墨烯，得到石墨烯玻璃；其中，还包括引入含氧刻蚀剂于所述反应腔室，以刻蚀等离子体增强化学气相沉积反应中生成的无定形碳。本公开的方法可有效提高石墨烯质量；此外，该方法还具有低温快速生长优势，并能够生长大尺寸的均匀石墨烯，所得石墨烯在导电性、透光性、疏水性以及导热性等众多方面皆表现出更好的性能，工艺简单、成本低，具有良好的工业应用前景。有良好的工业应用前景。有良好的工业应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于刻蚀辅助机制的石墨烯玻璃制备方法


[0001]本公开涉及石墨烯
，具体涉及一种基于刻蚀辅助机制的石墨烯玻璃制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯具有诸多优异的物理性质，如超高的载流子迁移率(理论最高可达200000cm2·
V-1
·
s-1
)、热导率(5300W/m
·
K)、透光性和机械强度，使得其在透明导电薄膜、场效应晶体管和超级电容器等诸多领域都有着广阔的应用前景。不同于水平结构的二维石墨烯薄膜，垂直取向生长的三维石墨烯不仅具有石墨烯优良的本证特性，还具有比表面积大的优势，可应用于高功率的能量存储器和超敏生物、气体传感器等。玻璃作为日常生活中应用最广泛的材料，将石墨烯直接覆盖在玻璃表面，形成新型高性能复合材料—石墨烯玻璃，其在保持玻璃高透过性的同时，将石墨烯众多优良的性质赋予玻璃，逐渐成为了实现石墨烯产业化应用的重要途径。
[0003]制备石墨烯/玻璃复合材料常用的方法主要有：1)液相剥离或还原氧化石墨烯溶液旋涂法；2)转移金属表面生长的石墨烯法；3)利用化学气相沉积(CVD)技术在玻璃基底表面直接生长石墨烯的方法。液相涂膜法是一种早期石墨烯/玻璃复合材料的制备方法，所获得的石墨烯片尺寸小，缺陷多，且厚度不均匀。而转移制备法是目前较常用的一种制备方法，但石墨烯在转移过程中造成的破损和污染难以避免，严重降低了石墨烯的品质。此外，石墨烯与玻璃基底之间仅靠较弱的范德瓦尔斯力相结合，转移后的石墨烯薄膜很容易从基底上脱落，难以保持其稳定性，无法用于实际产品的开发。利用CVD制备技术在玻璃基底上直接生长石墨烯，由于玻璃基底自身无催化能力，且生长过程中需要克服较高的迁移势垒，故通常需要提供较高的生长温度(1000℃～1100℃)和较长的生长时间(2～4h)，因此只能选择耐高温的石英或蓝宝石玻璃，严重限制了玻璃种类的选择，大大增加了石墨烯玻璃的制备成本，并且生产效率低，能源消耗严重。
[0004]目前，利用PECVD技术，可以实现在普通钠钙玻璃基底上直接低温(＜600℃)生长石墨烯，但传统工艺中所用的甲烷前驱体在等离子作用下裂解产生的活性碳物种浓度低，导致石墨烯生长速度慢，且低温生长过程中会产生大量的无定形碳，飘落在基底表面的无定形碳会严重影响石墨烯的导电性和宏观均匀性。这两方面的不足将严重影响石墨烯玻璃未来的产业化应用。
[0005]需注意的是，前述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于刻蚀辅助机制的石墨烯玻璃制备方法，通过引入含氧刻蚀剂于反应腔室，可以对低温等离子体增强化学气相沉积反应中产生的无定形碳具有良好的刻蚀作用，从而有效提高石墨烯质
量，具有良好的应用前景。
[0007]为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
[0008]本公开提供一种石墨烯玻璃的制备方法，包括：提供一玻璃基底，玻璃基底置于反应腔室；通入碳源，于玻璃基底上进行等离子体增强化学气相沉积反应生长石墨烯，得到石墨烯玻璃；其中，还包括引入含氧刻蚀剂于反应腔室，以刻蚀等离子体增强化学气相沉积反应中生成的无定形碳。
[0009]根据本公开的一个实施方式，引入含氧刻蚀剂的方式为：在等离子体作用下，裂解碳源得到含氧刻蚀剂，其中碳源选自碳氧化合物中的一种或多种。
[0010]根据本公开的一个实施方式，碳氧化合物选自醇、酮、酸、醛、酯和含氧高分子化合物中的一种或多种。
[0011]根据本公开的一个实施方式，碳氧化合物选自甲醇、乙醇、苯甲醇、乙二醇、丙酮、丁酮、甲酸、乙酸、甲醛、乙醛、乙酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯中的一种或多种。
[0012]根据本公开的一个实施方式，引入含氧刻蚀剂的方式为：向反应腔室通入含氧前驱体，在等离子体作用下，裂解含氧前驱体得到含氧刻蚀剂。
[0013]根据本公开的一个实施方式，含氧前驱体选自水、过氧化氢和氧气中的一种或多种，含氧前驱体与碳源的质量比为1:100～1:5。
[0014]根据本公开的一个实施方式，碳源流量为80sccm～200sccm，碳源分压为15Pa～35Pa。
[0015]根据本公开的一个实施方式，等离子体增强化学气相沉积反应温度为550℃～600℃，反应时间为1min～30min，等离子体源功率为150W～400W。
[0016]根据本公开的一个实施方式，玻璃为钠钙玻璃或高硼硅酸盐玻璃，玻璃的对角线长度不小于15英寸。
[0017]根据本公开的一个实施方式，还包括化学气相沉积反应前，对反应腔室抽低压，以使反应腔室内的真空度不超过7Pa。
[0018]本公开还提供一种石墨烯玻璃，采用上述方法制备得到。
[0019]根据本公开的一个实施方式，石墨烯包括多个三维石墨烯纳米片，三维石墨烯纳米片的高度为10nm～200nm，三维石墨烯纳米片与玻璃基底的夹角为60
°
～90
°
。
[0020]由上述技术方案可知，本公开的有益效果在于：
[0021]本公开提出的石墨烯玻璃的制备方法，其基于刻蚀辅助机制，通过引入含氧刻蚀剂于反应腔室，可以对等离子体增强化学气相沉积反应中产生的无定形碳具有良好的刻蚀作用，从而有效提高石墨烯质量；此外，该方法还具有低温快速生长优势，并能够生长大尺寸的均匀石墨烯，所得石墨烯在导电性、透光性、疏水性以及导热性等众多方面皆表现出更好的性能，工艺简单、成本低，具有良好的工业应用前景。
附图说明
[0022]以下附图用于提供对本公开的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。
[0023]图1为本公开一实施方式的石墨烯生长过程的示意图；
[0024]图2为实施例1的石墨烯玻璃表面形貌SEM图；
[0025]图3为实施例1基于不同生长时间的石墨烯玻璃的拉曼光谱图；
[0026]图4为实施例3的石墨烯玻璃表面形貌SEM图；
[0027]图5分别示出了基于不同比例水制备的石墨烯玻璃表面形貌SEM图；
[0028]图6为实施例1的石墨烯生长时间—高度柱状示意图；
[0029]图7为实施例1的石墨烯生长时间—接触角示意图；
[0030]图8A和图8B分别示出了实施例1和对比例1基于不同生长时间的石墨烯玻璃的面电阻及透过率表征图。
[0031]其中，附图标记如下：
[0032]100：基底
[0033]200：三维石墨烯层
[0034]201：缓冲层
具体实施方式
[0035]以下内容提供了不同的实施例或范例，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。当然，这些仅仅是范例，而非意图限制本公开。在本公开中所披露的范围的端点和任何值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯玻璃的制备方法，包括：提供一玻璃基底，所述玻璃基底置于反应腔室；及通入碳源，于所述玻璃基底上进行等离子体增强化学气相沉积反应生长石墨烯，得到石墨烯玻璃；其中，还包括引入含氧刻蚀剂于所述反应腔室，以刻蚀所述等离子体增强化学气相沉积反应中生成的无定形碳。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述引入含氧刻蚀剂的方式为：在所述等离子体作用下，裂解所述碳源得到所述含氧刻蚀剂，其中所述碳源选自碳氧化合物中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碳氧化合物选自醇、酮、酸、醛、酯和含氧高分子化合物中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳氧化合物选自甲醇、乙醇、苯甲醇、乙二醇、丙酮、丁酮、甲酸、乙酸、甲醛、乙醛、乙酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述引入含氧刻蚀剂的方式为：向所述反应腔室通入含氧前驱体，在所述等离子体作用下，裂解所述含氧前驱体得到所述含氧刻蚀剂。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含氧前驱体选自水、过...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠范，单俊杰，张艳锋，
申请(专利权)人：北京石墨烯研究院，
类型：发明
国别省市：