一种还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构的激光加工方法技术

一种还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构的激光加工方法，属于微纳制造技术领域。其首先在衬底上制备氧化石墨烯薄膜，然后在氧化石墨烯薄膜上制作提供加工气氛的微腔，最后在NH3条件下，利用搭建的激光微纳加工系统对氧化石墨烯进行激光直写加工，获得还原并氮掺杂的氧化石墨烯微结构。本发明专利技术结合激光加工高精度、任意成型等特点，根据软件编辑可设计并获得任意形状的氮掺杂的石墨烯微结构，实现器件的任意集成，并且调节加工氛围、激光加工功率、曝光时间、加工步长可调节还原程度和掺杂浓度，最高掺杂浓度可达10.3%。氮原子的种类（包括石墨化、吡啶化和吡咯化的氮原子）和含量可通过调节激光功率来进行调变。

【技术实现步骤摘要】
—种还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构的激光加工方法
本专利技术属于微纳制造
，具体涉及。
技术介绍
石墨烯是由Sp2杂化碳原子排列形成的具有完美六方点阵结构的二维晶体，它被认为是组成石墨形态材料的基本结构单元。石墨烯中存在长程η共轭电子，使其具有优异的热学、机械和电学性能，因此，石墨烯在纳米电子器件领域具有广阔的应用前景。本征石墨烯是零带隙半导体，这种特殊的能带结构大大限制了石墨烯在微电器件中的应用。因此，精确调控石墨烯的带隙、载流子种类和浓度是实现电子器件制备的前提。掺杂是实现石墨烯电学性质调控的有效手段，但本征石墨烯具有完美的蜂窝状结构，很难实现外来原子的掺杂。因此，在实现原子掺杂之前，在石墨烯中引入缺陷的步骤是必须的。针对这一点，J.R.Gong等人报道首先通过K离子刻蚀，在石墨烯片层上引入缺陷，然后将带有缺陷的石墨烯在NH3条件下退火，实现了有效的N原子掺杂(B.D.Guo, Q.A.Liu, E.D.Chen, H.ff.Zhu, L.A.Fang, J.R.Gong, Nano Lett2010, 10, 4975)。通过化学氧化剥离法制备的氧化石墨烯本身就具有羟基、羧酸根、醚键等含氧基团缺陷，这些缺陷可以通过适当的还原方法得到修复。因此，作为本征石墨烯的替代品，氧化石墨烯非常适用于氮原子掺杂。H.Dai等人报道在NH3条件下对氧化石墨烯进行热处理，在对氧化石墨烯进行还原的同时实现了 N原子掺杂，获得大规模N原子掺杂的石墨烯(X.L.Li, H.L.Wang, J.T.Robinson, H.Sanchez, G.Diankov, H.J.Dai, J Am ChemSoc2009, 131，15939)。G.S.Duesberg等人利用微波等离子体源实现了氧化石墨烯的还原和氮原子掺杂，制备出产物的产量可达克量级(N.A.Kumar, H.Nolan, N.McEvoy, E.Rezvani, R.L.Doyle, M.E.G.Lyons, G.S.Duesberg, J Mater Chem A2013, 1，4431 )。此外氧化石墨烯在溶剂中有一定的分散性，便于制备成薄膜，进行进一步的器件加工。对于微器件应用，图案化的石墨烯微结构是非常必要的。但是目前并没有对石墨烯进行微图案化N原子掺杂的方法。因此发展一种面向石墨烯器件制备与集成的，同时还原并氮掺杂氧化石墨烯的方法至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有石墨烯器件制备与集成技术中的不足和缺陷，提出。该方法是在NH3条件下对氧化石墨烯同时实现还原和氮掺杂，结合激光加工高精度、任意成型等特点，根据软件编辑可设计并获得任意形状的氮掺杂的石墨烯微结构，从而实现器件的任意集成，并且通过调节加工氛围、激光加工功率、曝光时间、加工步长可调节还原程度和掺杂浓度，最高掺杂浓度可达10.3%。氮原子的种类(包括石墨化的氮原子、吡啶和吡咯化的氮原子)和含量可通过调节激光功率来进行调变。本专利技术是通过如下技术方案实现的:(I)在衬底上制备氧化石墨烯薄膜；(2)在氧化石墨烯薄膜上制作提供加工气氛的微腔；(3)在NH3条件下，对氧化石墨烯进行激光直写加工，得到还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构。步骤⑴中是将氧化石墨烯配置成浓度为0.1?20mg/mL的悬浊液，在衬底上利用旋涂、滴涂或浸蘸方法制备氧化石墨烯薄膜。所述的氧化石墨烯可以采用Hummers法、Staudenmaier法或Brodie等方法制备。所述的配置悬浊液的溶剂包括水和乙醇。所述的氧化石墨烯薄膜的厚度为0.3nm?2mm。所述的衬底可以是玻璃、石英、硅、不锈钢衬底、Si02/Si以及柔性衬底(包括塑料衬底、超薄玻璃衬底、纸质衬底和生物复合薄月旲衬底等)。步骤(2)中制作提供加工气氛的微腔是PDMS微腔，其为半球形结构，内部中空。将该微腔覆盖在氧化石墨烯薄膜上，微腔与氧化石墨烯薄膜的接触处用液态PDMS密封好，然后放置在烘箱中(80?100°C，2?5小时)使其充分固化。在微腔两端分别插入两个带孔的细针作为NH3的入口和出口，入口与NH3气体源相连接，出口与H2SO4回收池相连接，气体流速 10 ?20mL/min。步骤(3)中激光直写加工系统由激光器、光路调节系统、软件控制系统、三维精密移动系统和实时监测系统组成，激光器包括飞秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、纳秒脉冲激光器或连续激光器，飞秒脉冲激光器的波长范围是200?2600nm，脉冲宽度范围是IOfs?900fs,重复频率范围是IHz?80MHz ;皮秒脉冲激光器的波长范围是200?2600nm，脉冲宽度范围是IOps?900ps，重复频率范围是IHz?80MHz ;纳秒脉冲激光系统的波长范围是200?2000nm，脉冲宽度范围是IOns?900ns，重复频率范围是IHz?ΙΟΚΗζ。对氧化石墨烯进行激光直写加工，是将带有氧化石墨烯薄膜和PDMS微腔的衬底固定于三维精密移动系统上；软件控制系统发送指令，控制激光器自带光闸的通断进而控制光束的开启与关闭；软件控制系统驱动三维精密移动系统在X、Y、Z方向的精密移动，进而使聚焦的激光光点在氧化石墨烯薄膜内逐点扫描，激光扫描位点的氧化石墨烯被还原的同时进行N原子掺杂，从而得到氧化石墨烯微结构。【附图说明】图1:飞秒激光直写系统示意图。I激光器、2透镜、3反射镜组、4衰减片、5偏振分光镜、6物镜、7三维移动压电平台、8衬底、9氧化石墨烯薄膜、10PDMS微腔、11照明光源、12反射镜、13透镜、14(XD、15显示屏、16NH3。图2:激光直写的弓形微电路(a)、插指电极(b)、渐开线(C)、吉林大学校徽(d)、单词“graphene”(e)、字母“G”(f)的光学显微镜照片。图3:蜘蛛网状微图形的二维AFM照片(a)、三维AFM照片(b)和沿着图(a)中白线的剖面图(C)。图4:氧化石墨烯(GO)和不同激光功率激光加工后的XPS宽谱图；图5:氧化石墨烯和不同激光功率激光加工后的Cls XPS谱图(a)、NlXPS谱图(b)、吡啶/吡咯和石墨化氮原子的百分比随激光功率的变化曲线(C)。图6:激光加工底栅FET器件示意图(a) ；61物镜、62IT0、63衬底、64ΡΜΜΑ、65金电极、66激光微纳加工的条带、67氧化石墨烯薄膜；加工FET器件的转移特性(b)曲线。【具体实施方式】实施例1:(I)合成氧化石墨烯材料，制备氧化石墨烯薄膜。采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯材料。在IOOOmL烧杯中，(TC冰水浴条件下加入2g片状天然石墨，2g硝酸钠和96mL、质量浓度为98%的浓硫酸。保持上述体系温度为0°C，将12g高锰酸钾缓慢加入(约200mg/min)。整个反应体系首先保持0°C充分搅拌90min，然后将体系加热到35°C，搅拌2h。接着在30min内，缓慢加入80mL去离子水，稀释反应体系。之后向混合物中加入IOmL双氧水(质量浓度30%)，然后再加入200mL去离子水，加完后持续搅拌lOmin，得到氧化石墨的悬浊液。将悬浊液高速离心(16000rpm)10min,从悬浊液中分离出氧化石墨，然后用去离子水反复离心清洗，直至pH=7。利用超声(80W，5mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构的激光加工方法，其步骤如下：1)在衬底上制备氧化石墨烯薄膜；2)在氧化石墨烯薄膜上制作提供加工气氛的微腔；3)在NH3条件下，对氧化石墨烯进行激光直写加工，从而得到还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构。

【技术特征摘要】
1.一种还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构的激光加工方法，其步骤如下: 1)在衬底上制备氧化石墨烯薄膜； 2)在氧化石墨烯薄膜上制作提供加工气氛的微腔； 3)在NH3条件下，对氧化石墨烯进行激光直写加工，从而得到还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构。2.如权利要求1所述的一种还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构的激光加工方法，其特征在于:步骤I)中是将氧化石墨烯配置成浓度为0.1?20mg/mL的悬浊液，在衬底上利用旋涂、滴涂或浸蘸方法制备氧化石墨烯薄膜，厚度为0.3nm?2_。3.如权利要求1所述的一种还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构的激光加工方法，其特征在于:步骤I)中衬底是玻璃、石英、硅、不锈钢、Si02/S1、塑料、纸或生物复合薄膜。4.如权利要求1所述的一种还原同时实现氮掺杂的氧化石墨烯微结构的激光加工方法，其特征在于:步骤2)中的微...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，郭莉，张永来，陈岐岱，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：