[发明专利]利用静电喷雾工艺制备多孔石墨烯薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用静电喷雾工艺并结合热处理方法在衬底硅片表面制备多孔石墨烯薄膜，属固体薄膜制备工艺技术领域。

背景技术

石墨烯是一种只有单层原子厚度、具有蜂窝结构的二维碳原子晶体的碳质材料，因为其具有独特的能带结构和优异的物理性质（电学、机械、光学和热导），已经引起了人们广泛的关注。石墨烯在场效应晶体管、发光二极管、传感器、催化等领域具有潜在的应用价值。石墨烯薄膜材料也已成为人们关注的热点，这些薄膜同样展示了优异的特性，比如显著的电致发射特性、优良的光电性能、高的电导率和光透射率等等。

目前，人们可以利用一系列的物理和化学方法制备石墨烯薄膜，然而其中大多数方法皆以石墨烯分散液作为原材料。常用的制备方法主要有以下几种：喷涂沉积法、过滤沉积法、旋转涂覆法、界面组装法等。此外，CVD法也常用于制备石墨烯薄膜，但是这种方法存在设备昂贵、原料成本较高、过程复杂以及产率较低等缺点。本发明采用的是利用静电喷雾工艺结合硅片加热方法制备石墨烯薄膜。初步研究发现，通过这种方法制备的石墨烯薄膜具有多孔结构且与衬底硅片有良好的附着性，具有较高的比表面积，有望在锂电池、气体传感器、催化等领域得到应用。

发明内容

本发明目的是提供一种以石墨粉、1-甲基-2-吡咯烷酮为原料，利用静电喷雾结合硅片加热工艺于衬底硅片表面制备多孔石墨烯薄膜的方法。其制备过程和步骤如下所述：

a.石墨烯分散液配制

（1） 称取2.5 g石墨粉（99.85%）置于一250ml烧杯中，加入100ml 1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），配制石墨-NMP悬浮液以备用；

（2）将上述悬浮液用多层保鲜膜密封，在室温下经低功率超声清洗器不连续超声处理共计72 h，得到石墨烯分散液；

（3）经过16 h静置，将分散液离心处理30 min：其转速为8000 r/min；吸取上层液体于洁净玻璃瓶中备用；

b.衬底硅片的清洗

（1）将含有表面氧化层的硅片分别在乙酸乙脂和丙酮中浸泡清洗30 min；

（2）将清洗的硅片分别在乙醇、蒸馏水中进行超声清洗，再利用红外灯烘烤；

c.石墨烯薄膜制备

（1）移取10 ml石墨烯分散液于20 ml注射器中，将注射器固定在电脑微量注射泵上，选取0.2 ml/h 的推进速率，匀速推动分散液经聚四氟乙烯细管到达纺丝喷嘴；

（2）控制加热板和衬底硅片温度为200 °C，调节高压电源电压为8.6 kV，通过电纺喷嘴喷雾；喷至硅片的液膜经过约10 h的干燥处理使溶剂挥发，即可获得多孔石墨烯薄膜；通过控制电喷雾时间，可以制备具有不同厚度的薄膜样品。

    利用上述工艺制备的石墨烯薄膜具有以下形貌和拓扑特征，以及电磁学特征：

（1）石墨烯薄膜呈多孔状，石墨烯无序堆积在硅片上，且与衬底硅片附着性良好。

（2）石墨烯尺寸约在200 ~ 600 nm之间，经过电喷雾70 h时，薄膜平均厚度约为40 μm。

（3）使用综合物性测量系统(PPMS -T)的四探针技术测量薄膜磁阻。长条形 (10 mm×5 mm，电极为Pt丝电极)石墨烯薄膜样品，其磁阻在磁场强度为80kOe（奥斯特）、温度为6 K 和50 K 时分别为-2.9%和-0.8%。

附图说明

图1 主要工艺流程图；

图2 石墨烯-NMP分散液透射电子显微镜（TEM）照片；

图3 多孔石墨烯薄膜表面扫描电子显微镜（SEM）照片；

图4 多孔石墨烯薄膜断面扫描电子显微镜（SEM）照片；

图5 多孔石墨烯薄膜X射线光电子能谱（XPS）图；

图6 多孔石墨烯薄膜红外吸收光谱；

图7 多孔石墨烯薄膜和原始石墨粉拉曼光谱；

图8 多孔石墨烯薄膜紫外-可见漫反射光谱；

图9 多孔石墨烯薄膜磁阻和温度、磁场强度关系图。

具体实施方式

现将本发明的具体实例详述于后。

实施例

制备多孔石墨烯薄膜的过程和步骤如下所述：

    将含有表面氧化层的硅片分别在乙酸乙脂和丙酮中浸泡清洗30 min，然后将清洗的硅片分别在乙醇、蒸馏水中进行超声清洗，最后利用红外灯烘烤。