[发明专利]利用多孔阳极氧化铝为模板化学气相沉积制备石墨烯纳米孔阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯纳米孔阵列的方法，属于低维材料和新材料领域，主要应用于新型石墨烯电子器件。

背景技术

石墨烯纳米孔是指在连续的二维石墨烯薄膜上分布着纳米孔道。孔道的直径从几个碳原子到几十个纳米。几个纳米孔径的石墨烯纳米孔可以用于DNA探测和排序(C.A.Merchant et al.，DNA translocation through graphene nanopores，Nano Lett.10，2010，2915-2921)，更小的石墨烯纳米孔结构可以用于选择性分离气体分子(H.L.Du et al.，Separation of hydrogen and nitrogen gases with porous graphene membrane，J.Phys.Chem.C，115，2011，23261-23266)等。除了利用孔道，石墨烯纳米孔阵列结构中相邻石墨烯纳米孔的孔壁相当于石墨烯纳米带，并且石墨烯纳米孔结构相当于相互连接的纳米带二维网络，而石墨烯纳米带可以调制石墨烯的能隙，并用于高速电子器件。另外，石墨烯纳米带，特别是宽度可调的石墨烯纳米带，其磁性、光学和电学特性都和纳米带的结构和尺寸相关。

目前石墨烯纳米孔的制备有以下几种方法：利用原子力显微镜针尖压入或划刻，聚焦离子束刻蚀(H.T.Wang et al.，Doping monolayer graphene with single atom substitutions，Nano Letters，2012，DOI：10.1021/n12031629)，透射电镜中高能电子束(Girit et al.，Graphene at the edge：stability and dynamics，Science 323(2009)1705)等。化学方法相对便宜，但并不适合CVD制备的石墨烯薄膜，因为无法控制孔的密度和孔的分布。同样原子或离子轰击得到的孔洞分布不均，并且高分辨投射电镜表明轰击碎片会堆积在样品表面。相比而言，原子力显微镜和聚焦离子束技术可以精确控制孔的位置甚至大小，但对硬件设备要求很高，并且产率很低。寻求一种技术路线简洁，孔道可控性较高的制备方法石墨烯纳米孔的应用探索和应用推广十分重要。

发明内容

本发明针对现有技术中制备石墨烯纳米孔阵列的不足，提供了一种以多孔阳极氧化铝(porous anodic alumina，PAA)为模板，将含有碳源的前驱体通过PAA转移到需要制备石墨烯的基底上，通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)，制备孔径可以调节的石墨烯纳米孔阵列结构的方法，以满足不同石墨烯纳米孔的应用以及石墨烯纳米带的应用。

本发明是根据以下步骤实现的：第一步，将碳源涂敷在PAA表面；第二步，使用压力将碳源转移到金属基底上并使碳源保留与PAA表面一致的图案；第三步，采用CVD制备石墨烯纳米孔阵列。

本发明采用以下技术方案：

一种制备石墨烯纳米孔阵列的方法，包括以下步骤：

1)将碳源溶液涂敷在多孔阳极氧化铝模板的表面；

2)将步骤1)所获得的表面涂有碳源的多孔阳极氧化铝模板压在金属基底表面，剥离所述多孔阳极氧化铝模板，使碳源保留在所述金属基底表面并使碳源保留与所述多孔阳极氧化铝模板表面一致的图案；

3)将步骤2)所获得的金属基底于氢气和氩气的混合气流下进行退火处理，将碳源转变为石墨烯纳米孔阵列。

本发明中，所述的多孔阳极氧化铝模板是指通过高纯铝(纯度在99.999％以上)阳极氧化得到的纳米孔阵列结构，孔径大小为几个纳米到几百纳米，孔与孔之间的孔壁宽度为几个纳米到几百纳米，孔深为几十纳米到几百微米。优选的，所述纳米孔阵列结构中，孔径为10-300nm；孔与孔之间的孔壁宽度为10-500nm。

较佳的，步骤1)中，所述的碳源溶液为含有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯、稠环芳烃和多溴代苯中的一种或多种的溶液。所述多溴代苯是指苯环上有至少一个氢被溴取代，如溴苯、对二溴苯、1，2，4，5-四溴苯等。

优选的，所述稠环芳烃选自萘、蒽、菲、芘、苝和六苯并苯。

优选的，所述碳源溶液的浓度为0.5-1.5mg/ml，所述碳源溶液采用的溶剂选自苯甲醚、苯、甲苯等。

步骤1)中，所述的涂敷是指将碳源溶液均匀分布在多孔阳极氧化铝模板表面，涂敷方法可以是旋涂、浸入抽滤等。

步骤2)中，所述的金属基底选自铜、镍及铜镍合金块体和薄膜基底。