一种二维石墨烯及其制备方法、应用技术

本发明专利技术涉及石墨烯技术领域，具体提供了一种二维石墨烯及其制备方法、应用。本发明专利技术的二维石墨烯的制备方法包括：(1)对二维氧化石墨烯进行牵伸，得到中间产物；(2)对中间产物进行还原处理，得到二维石墨烯。与现有技术相比，本发明专利技术通过牵伸和还原处理，在二维石墨烯的表面构建褶皱形貌，使其导电模式由半导体型转变为金属型，提高了二维石墨烯中的金属丰度，有利于其在大功率电子器件领域等诸多领域的应用。于其在大功率电子器件领域等诸多领域的应用。于其在大功率电子器件领域等诸多领域的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种二维石墨烯及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及
，更具体地说，涉及一种二维石墨烯及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种以sp2轨道杂化构型连接的碳原子堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新型碳材料。石墨烯具有独特的“狄拉克锥”型能带结构，这使其室温段的载流子迁移率高达1000cm2·
V
‑1·
s。此外，石墨烯具有诸多优异的机械性能，如轻质、柔性高强度、形貌可控和负泊松比等特征，为柔性半导体功率器件的涉及开发提供了极具潜力的备选方案。然而，石墨烯独特的零带隙狄拉克锥型能带结构致使其室温段载流子的输运表现出典型的半金属特征，这使得石墨烯基功率半导体器件至今仍然鲜有报道。
[0003]在过去的研究工作中，如何实现对石墨烯能带结构的可控调节是石墨烯电输运研究领域的重点议题之一。其中，具有代表性的能带结构调控策略为对石墨烯进行在纳米尺度上的几何设计，如将二维石墨烯裁剪为一维石墨烯纳米条带。在机械裁剪的作用下，石墨烯固有的面内各向同性拓扑形貌和输运载流子的手性行为被打破，这使得石墨烯纳米条带表现出半导体型的窄带隙特征且带隙大小与石墨烯条带的特征宽度息息相关，其内部机制可被归结为限域载流子在石墨烯条带的边界处所形成的一维拓展态。近年来，石墨烯能带结构的现行修改策略常通过掺杂方式实现，如以表面化学官能团改性和局域晶界组分掺杂为代表的元素掺杂和以双电层场效应掺杂和构建具有零能量模式的对称性超晶格构型为代表的电荷掺杂。上述手段可对具有介观特征尺寸石墨烯的能带结构进行调控，并实现载流子输运模式由半金属型向半导体型的过渡。
[0004]通过引入掺杂的手段实现对石墨烯能带结构的调控存在下述问题：a)掺杂元素可作为散射中心会对输运载流子进行有效散射，从而显著降低体系的载流子迁移率，导致其在功率电子器件领域的应用前景大打折扣；b)现行的实验掺杂手段难以对石墨烯进行局域处理，即通过引入电荷/元素掺杂的方式难以对石墨烯的局域载流子输运性质进行有效调控。如何实现对石墨烯能带结构/载流子输运性质的原位可控调节，提高二维石墨烯中的金属丰度，具有显著的科学和应用价值。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种二维石墨烯及其制备方法、应用，本专利技术在二维石墨烯的表面构建褶皱形貌，使其导电模式由半导体型转变为金属型，提高了二维石墨烯中的金属丰度，有利于其在大功率电子器件领域等诸多领域的应用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种二维石墨烯的制备方法，包括：
[0008](1)对二维氧化石墨烯进行牵伸，得到中间产物；
[0009](2)对中间产物进行还原处理，得到二维石墨烯。
[0010]本专利技术对于二维氧化石墨烯没有特殊限制，采用本领域常规的方法制得即可。在
本专利技术的一个实施例中，二维氧化石墨烯的电阻率为0.30Ω
·
cm，比表面积为1000m2·
g
‑1。
[0011]在本专利技术中，所述牵伸在还原剂溶液中进行；所述牵伸具体为：将中间产物依次与牵伸轴包绕接触；
[0012]牵伸轴的转速沿中间产物的前进方向递增；牵伸轴的个数≥2，优选为2。本专利技术通过调节牵伸轴的速度差可直接影响二维氧化石墨烯内部的应力状态，对二维氧化石墨烯进行塑性牵伸，进而实现对其表面褶皱形貌的调控。
[0013]在本专利技术中，相邻两个牵伸轴的线速度差为0.01～0.02转/分钟，优选为0.01转/分钟，牵伸的时间为5～20s，优选为5s。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，将中间产物依次与第一牵伸轴、第一传动轴、第二传动轴、第二牵伸轴包绕接触，设置第一牵伸轴的转速是0.05转/分钟，第二牵伸轴的转速是0.06转/分钟，第一牵伸轴和第二牵伸轴的工作时间为5s，牵伸完成后，保持10s。第一传动轴和第二传动轴为传动装置，且无机械驱动力的施加。
[0015]在本专利技术中，所述还原处理具体为：将中间产物与还原剂溶液混合，优选是将中间产物浸没在还原剂溶液中；所述混合的时间为1～5min，优选为3min。
[0016]在本专利技术中，所述还原剂溶液由还原剂和溶剂混合得到；所述溶剂为有机溶剂；所述还原剂的分子量≤500；所述还原剂优选为碘化氢；在本专利技术的一个实施例中，所述还原剂溶液为碘化氢溶液，碘化氢溶液由乙醇和碘化氢混合得到；所述乙醇和碘化氢的体积比为1:(1～4)，优选为1:3。
[0017]在本专利技术中，所述二维石墨烯的制备方法还包括：对还原处理后的中间产物进行热处理；
[0018]所述热处理的温度为2500～3500K，优选为3000K；热处理的时间为3～5h，优选为5h。
[0019]在本专利技术中，所述中间产物与还原剂溶液的质量比为1:(1～80)，优选为1：50。
[0020]本专利技术制得的二维石墨烯具有褶皱形貌；所述二维氧化石墨烯中，褶皱区域的电导率和非褶皱区域的电导率之比为(1.5～100):1，优选为1.5：1。
[0021]本专利技术还提供了上述二维石墨烯的制备方法制得的二维石墨烯在制备具有金属型载流子特征的材料中的应用。
[0022]本专利技术提供了一种在二维氧化石墨烯中原位触发金属型载流子输运模式的方法，该方法通过塑性牵伸和还原处理，在二维石墨烯的表面构建更多的“逾渗网络”构型的褶皱形貌，而二维石墨烯表面的褶皱形貌可实现金属型载流子输运模式。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例的塑化牵伸装置示意图，其中，1是第一驱动滚筒，2是第一传动滚筒，3是第二传动滚筒，4是被牵伸的样品，5是第二驱动滚筒。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发
明保护的范围。
[0025]为了进一步说明本专利技术，下面通过以下实施例进行详细说明。本专利技术以下实施例所用的原料均为市售商品。本专利技术的购买自北京德科岛津纳米科技有限公司。
[0026]实施例1
[0027]本实施例的二维石墨烯的制备方法，采用如图1所示的牵伸装置制备二维石墨烯，牵伸装置包括：第一驱动滚筒1，第一传动滚筒2，第二传动滚筒3，被牵伸的样品4，第二驱动滚筒5；其中，第一驱动滚筒和第二驱动滚筒为牵伸轴，本实施例的方法包括以下步骤：
[0028](1)将二维氧化石墨烯装入驱动滚筒装置中，连接位置通过双面胶带固定，如图1所示。
[0029](2)机械载荷牵伸过程：开启驱动滚筒1和驱动滚筒2，且二者保持0.01转/分钟的速度差(驱动滚筒1的转速是0.05转/分钟，驱动滚筒2的转速是0.06转/分钟)。驱动滚筒的单次工作时间为5s，驱动滚筒完成后保持机械状态10s。
[0030](3)对塑化牵伸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：(1)对二维氧化石墨烯进行牵伸，得到中间产物；(2)对中间产物进行还原处理，得到二维石墨烯。2.根据权利要求1所述的二维石墨烯的制备方法，其特征在于，所述牵伸在还原剂溶液中进行。3.根据权利要求1所述的二维石墨烯的制备方法，其特征在于，所述牵伸具体为：将中间产物依次与牵伸轴包绕接触；牵伸轴的转速沿中间产物的前进方向递增；牵伸轴的个数≥2。4.根据权利要求3所述的二维石墨烯的制备方法，其特征在于，相邻两个牵伸轴的线速度差为0.01～0.02转/分钟。5.根据权利要求1所述的二维石墨烯的制备方法，其特征在于，所述还原处理具体为：将中间产物...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺子甄，赵志国，赵东明，肖平，张赟，王立闯，蔡子贺，赵政晶，王兴涛，张迟，周养盈，石从波，秦校军，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：