[发明专利]一种利用旋涂法将石墨烯组装到两亲性钌配合物上制备单分子膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用旋涂法将石墨烯组装到两亲性钌配合物上制备单分子膜的方法，属于分子自组装化学技术领域。

背景技术

石墨烯（Graphene）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，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子网格，被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯的结构非常稳定，这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，而电阻率只约10-6Ωcm，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

自组装技术是指基本结构单元自发形成有序结构的一种技，这种基本结构单元可以是分子，也可以是纳米材料，或者是更大尺度的物质。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。

旋涂法(spin-coating)是指将配置好的聚合物溶液滴加到高速旋转的底物表面形成薄膜。旋涂法在薄膜平整度、致密程度、薄膜与基片连接的牢固程度以及薄膜厚度的精确控制等方面具有一定优势。利用旋涂法制备的薄膜的相对介电常数很低(<215)，可以在超大规模集成电路的微电子器件中作为层间电解质使用。

分子自组装薄膜是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。当吸附分子存在的情况下，局部已形成的无序单层可以自我再生成更完善的、有序的自组装膜。自组装单层膜是通过有机分子在固体表面吸附而形成的有序分子膜，它是将合适的基底浸入到待组装分子的溶液或气氛中后，分子自发地通过化学键牢固地吸附在固体表面而形成一种有序分子组合体，其中的分子排列有序，缺陷少。

目前国内对利用旋涂法将石墨烯组装到单分子膜上的方法的研究还未见报道。公开的石墨烯的自组装方法主要有：

公开号为CN102021573A的中国专利公开的“贵金属-石墨烯双层复合导电膜的自组装制备方法”，是以贵金属离子或配离子、氧化石墨烯为原料，通过溶剂诱导自组装方法得到的贵金属-石墨烯双层复合导电膜。双层复合导电膜的贵金属层、石墨烯层及整体膜的厚度可以通过贵金属离子溶液、氧化石墨烯溶液的浓度和体积进行调控，双层复合导电膜中银层与石墨烯层的导电性可以调控。

公开号为CN102530929A的中国专利公开的“形成石墨烯氧化物图案和石墨烯图案的方法”中，在基底的至少一个表面上制备疏水的自组装单分子膜，用掩模覆盖所述疏水的自组装单分子膜后采用紫外线灯曝光，并在曝光后去除掩模，得到该至少一个表面含有图案化的自组装单分子膜模板的基底，用石墨烯氧化物量子点的水溶液覆盖所述图案化的自组装单分子膜模板，干燥，从而在基底的该至少一个表面上形成石墨烯氧化物图案。该方法需在密闭条件下进行，且需掩模覆盖后紫外线灯曝光。

公开号为CN104018145A的中国专利公开的“一种钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法”中，将医用钛合金进行放入piranha溶液中进行羟基化处理，然后放入氨基硅烷溶液中自组装硅烷薄膜，将表面附有硅烷薄膜的钛合金浸入氧化石墨烯胶体中制备硅烷-氧化石墨烯薄膜，最后利用氢卤酸还原氧化石墨烯薄膜，干燥后得到还原氧化石墨烯复合薄膜。该方法需在真空密闭环境下进行，且需使用浓硫酸等危险溶剂。

目前，单分子膜自组装法是一种有利于控制组装结构和形态的有效方法，可在电极的表面通过过共价键或非共价键而自发形成高度有序的单分子层。自组装膜分子排列有序紧密，但组装过程复杂，组装时间长，对设备要求高，需在在干净、密闭性较好的实验室内进行。而且，为使反应物与基片活性部分快速、有效地反应，配合物需在溶剂中有较好的溶解度。此外，组装石墨烯的常规方法一般是将石墨烯与配合物分散于水中，长时间超声混合，但是此方法中石墨烯易团聚，配合物分子的附着量少。因而设计发明一种可定向、自组装过程简单、稳定性高且可重复性好的将石墨烯组装到单分子膜上的方法十分必要。