[发明专利]一种硅纳米锥复合石墨烯纳米片的材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅纳米锥复合石墨烯纳米片阵列结构的材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一个只有一个原子厚度的完美二维纳米材料，它（具有很大的表面积，优秀的热导率和电导率，同时具有很高的力学强度，其在电子学、光学、能量储存和转换、太阳能电池、生物及传感的等很多领域具有巨大应用潜力。近年来，石墨烯引起了人们极大的兴趣，并开展石墨烯材料的各种方向的研究工作，其中如何制备高质量石墨烯材料以及设计石墨烯器件为成为关注的焦点。

制备石墨烯自从2004年，有人用胶带从高取向的热解石墨上撕出石墨烯来，可参见对比文件1，“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”（载于《Science》2004,Vol.306,666-669），各种制备石墨烯的方法发展起来。用胶带撕石墨烯的方法现在还在使用中，但这种方法不能用来大量制造石墨烯。后来，人们在超高真空下通过碳化硅热分解的方法制造出来单层石墨烯，可参见对比文件2，“Epitaxial Graphene”（载于《Solid State Communications》2007,Vol.143,92-100），这样制备的石墨烯缺陷很少，但是同样不能实现大量的制造。目前可以大量制备石墨烯的方法有两种，一种是通过还原石墨氧化物的方法可以大量制备石墨烯，可参见对比文件3，“Synthesis ofgraphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide”（载于《Carbon》2007,Vol.45,1558-1565），但是石墨烯的形貌无法控制，很难用于器件制备。另一个方式是通过化学气相沉积的方法生长石墨烯，可参见对比文件4,“Field emission from vertically aligned few-layer graphene”（载于《Journal of Applied Physics》2008，Vol.104，084301（1-5）），这种方法可以制备出垂直于衬底的少层石墨烯，这种少层石墨烯和单层石墨烯性质很接近，可用来制造石墨烯器件，这种方法的弊端是石墨烯形貌控制较为单一，密度很难控制，无法满足一些特殊高性能器件的要求。

目前无论是平面的单层石墨烯还是直立的少层石墨烯的制备都没有发挥出石墨烯纳米尺度边缘的特殊功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅纳米锥复合石墨烯纳米片的材料及其制备方法，制备的直立且形貌可控的石墨烯纳米片能充分发挥其纳米尺度尖锐边缘的特殊功能，能够极大地提高石墨烯的场发射性质和表面湿润性质，获得具有良好特性的表面。

为实现上述目的，本发明提供的一种硅纳米锥复合石墨烯纳米片的材料包括：表面具有硅纳米锥阵列的衬底；在所述硅纳米锥阵列的表面上形成有片状的少层石墨烯纳米片层。

优选地，所述石墨烯片与所述硅纳米锥阵列的表面夹角约为90°。

优选地，所述少层石墨烯层数为1~4层。

本发明提供的一种硅纳米锥复合石墨烯纳米片的材料的制备方法包括如下步骤：

1）以感应耦合等离子体刻蚀（ICP）制备的硅纳米锥阵列结构的衬底；

2）将衬底放入热丝化学气相沉积（HFCVD）系统中，基础真空为0.1Torr，在温度900~1100℃，气体流量比（Ar/H₂/CH₄）为50/5/1~50/49/1和气压20~30Torr的条件下，并在灯丝和样品之间加上偏压300~380V，生长片状的少层石墨烯片层。

优选地，所述石墨烯片与所述硅纳米锥阵列的表面夹角约为90°。

优选地，所述少层石墨烯层数为1~4层。