[发明专利]一种制备超薄二维石墨片的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米科技与新材料领域，具体涉及超薄二维石墨片的制备方法。

背景技术

厚度小于10个原子层的石墨片中的电子结构与体材料石墨有显著的不同，所以一般认为厚度小于10个原子层(共约4nm)的石墨片属于二维材料。二维石墨片具有极其优良的电学性质，其中以单层石墨的性质最为理想。

2004年，英国科学家首次在实验室制备出单层石墨(Science 306，666(2004))。单层石墨中的电子属于无质量的狄拉克费米子，因此该材料的发现为利用凝聚态材料研究量子电动力学和相对论效应开辟了一条全新的途径。单层石墨中的电子有很长的自由程和很高的迁移率，是一种制造高速电子器件的理想材料。另外，可以通过改变单层石墨的边界来使它呈现出金属性或半导体性，所以只需将单层石墨进行适当地裁剪，即可得到具备某些特定功能的电路。现在，科学家已经用单层石墨制造出了二极管，并预言将来可以将集成电路做在一片单层石墨片上面。

但是，要实现利用单层石墨取代硅在微电子工业中的地位的远景目标，必须解决可控的规模化制备二维石墨片的技术瓶颈。现有技术中仅有一些实验室制备二维石墨片的方法的报道，主要包括：机械剥离法、化学分离法、化学气相沉积法、外延生长法等，其中最常用的为机械剥离法。

机械剥离法是指运用力学方法从块状高定向热解石墨上剥离出二维石墨片的方法。机械剥离法有很多具体的实施方案，其中最具有代表性的方案是胶粘法(Science 306，666(2004)，Supporting Material)和摩擦法(Two-dimensional atomic crystals，PNAS2005，vol.102，no.30)。胶粘法制备的二维石墨样品面积较大，但是样品在制备过程中会和有机胶直接接触，得到的二维石墨片和高分子有机胶混在一起，使后续的净化过程步骤十分繁琐，也加大了制备成本。用摩擦法制备的样品虽然干净，但得到的二维石墨样品的面积较小，通常要比胶粘法得到的样品尺度小一个量级，其面积往往不能满足使用要求。因此，急需开发新的、高效的二维石墨片的制备方法。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种采用冰作为粘附石墨的物质来制备超薄二维石墨片的方法，从而克服了胶粘法制备过程中高分子有机胶不易被分离除去的缺陷，使制备过程简化。

本发明目的由以下方式实现。

本发明的超薄二维石墨片的制备方法，其特征在于，具体制备过程为：

(1)准备衬底并做净化处理：选择表面平整的SiO₂片或Si片或玻璃片或塑料片做衬底，并用超声波清洗或化学溶液浸渍冲洗来净化衬底。

(2)在衬底上制备薄水膜：使用滴水铺撒得到一层水膜或者通过变温处理使衬底上沉积一层冷凝水膜，控制水膜厚度在0.01-0.1毫米范围内。

(3)处理块状高定向热解石墨，使其出现新的干净解理面后放在薄水膜上，并使该干净解理表面与水膜直接接触；或者用胶带从块状石墨的干净解理面上粘取鳞片状石墨碎片放在薄水膜上。

(4)冷冻：将上述样品放在-5-30℃的环境中，直到水膜凝固变成冰膜，粘住石墨。

(5)制备半成品：取下块状石墨，检查被剥离后留在衬底上片状薄层石墨情况，并用现有技术中常用的胶带粘连法除去较厚大面积石墨片，得到半成品。

(6)烘干：将半成品放在50-95℃的环境中烘烤，直到用肉眼看不到有水为止，再提高温度到120-200℃继续烘烤，除去黏附在石墨片表面的及石墨片与衬底之间的水分子，然后取出自然冷却至室温，得成品。

(7)筛选：根据使用要求，使用扫描电子显微镜(SEM)对成品进行筛选，然后用原子力显微镜(AFM)来确定其厚度及层数。

在上述制备过程中，所有的操作过程均在100级或1000级的超净室中进行，各种与样品有接触的物品都必须经过净化处理，所用到的水为超纯水。

本发明的制备方法，选水作为粘附石墨的物质，水容易通过加热使其气化而除去，不会留下任何杂质污染，使制得的样品十分干净。常压下水的凝固点为0℃，而0℃附近的温区很容易通过常用的制冷设备来调控得到，这使得整个制备过程简单，操作方便。另一方面，如果是直接的固体与固体接触粘附，很难做到充分接触，因此它们之间的范德瓦尔斯力较弱。本方法利用了液体的流动性，使得粘附膜分子与样品充分接触；水膜结成冰以后与石墨之间的范德瓦尔斯力很强，足以从块状石墨上将最下面几层石墨粘下来。同时利用了固体的不易形变性，使得在粘撕二维石墨片的过程中所有的界面分子之间的范德瓦尔斯力同时发挥作用。