[发明专利]一种图案化石墨烯及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于材料制备与加工技术领域，尤其涉及一种图案化石墨烯及其制备方法和用途。

背景技术

石墨烯作为新型二维纳米材料，由于其极高的导电性和导热性，以及优良的透光性，在纳米电子学和柔性器件等领域具有极高的应用价值。

制备石墨烯的主要方法有化学气相沉积法、机械剥离法和液相剥离法。机械剥离法得到的石墨烯尺寸限制在微米级，形状和位置不可控；液相剥离法制备的主要是氧化石墨烯，虽然可一次制备大量氧化石墨烯溶液，但因其表面修饰了大量含氧官能团，其质量无法满足实际应用的要求；化学气相沉积法是获得大面积高质量石墨烯的有效方法，该方法以过渡金属为衬底制备石墨烯，碳源以气体分子的形式在衬底生长石墨烯，所以无法在生长阶段对生长的石墨烯形状控制，需要后期以微纳加工技术为基础，才能使生长的石墨烯图案化得到实际应用。

要成功的将石墨烯运用于电子、电气器件，就必须实现对石墨烯的图案化。图案化石墨烯的制备已有很多报道。

CN 104637789 A公开了制备图案化石墨烯的方法，包括：a)在基底表面制作所需图案；b)在基底图案化区域制备一层用于石墨烯生长的催化剂薄膜；c)在所述催化剂薄膜表面生长石墨烯得到基底-催化剂-石墨烯复合结构；d)分离基底和石墨烯催化剂薄膜得到催化剂-石墨烯复合结构；e)分离催化剂薄膜和其表面生长的石墨烯得到图案化石墨烯薄膜；并具体公开了采用化学气相沉积法在催化剂薄膜表面生长石墨烯；所述催化剂薄膜为铜膜，其厚度为100～500nm。

CN 103204495 A公开了一种图案化石墨烯制备方法，主要利用一微影蚀刻工艺得到一图案化石墨烯：先提供一基板，接着在该基板上形成一触媒层，然后，在该触媒层上形成一碳层，并加热该碳层至一合成温度，使该碳层转化为石墨烯，其中，可于形成该碳层前，对该触媒层进行该微影蚀刻工艺；或于加热前，对该碳层进行该微影蚀刻工艺；也可于加热后，对该石墨烯进行该微影蚀刻工艺；所述碳层利用一沉积工艺形成在所述触媒层上，所述沉积工艺选自旋转涂布法、溅镀法及蒸镀法所组成的群组；所述碳层的材料为石墨或一含碳高分子材料。

CN 103930367 A公开了一种石墨烯制造用铜箔及使用其的石墨烯的制造方法，该石墨烯制造用铜箔可以以低成本生产大面积石墨烯，所述铜箔由纯度为99.95质量％以上的Cu构成；并提供了利用所述铜箔制备石墨烯的方法：在规定的室内配置经过加热的所述石墨烯制造用铜箔，同时供给含碳气体，在所述石墨烯制造用铜箔表面形成石墨烯的石墨烯形成工序；在所述石墨烯的表面层叠转印片材，一边将所述石墨烯转印至所述转印片材上，一边将所述石墨烯制造用铜箔蚀刻除去的石墨烯转印工序。

但是，气态碳源在制备石墨烯的过程中由于其充满了整个环境，不能实现图案化生长石墨烯，想要制备得到图案化石墨烯还需要一些后处理操作，如蚀刻等，程序复杂，耗能大，得到的石墨烯性能满足不了使用要求等缺点。

Su等人中报道了使用电化学剥离的方法制备石墨片(Su,CY；Xu,YP；Chen,FR；Khlobystov,AN；Li,LY.ACS Nano.2011,5,2332)。使用这种方法得到的石墨片溶液分散性好，石墨片尺寸均匀，并且具有较好的电学性质。但是这种石墨片在电化学剥离的过程中，石墨片晶格结构出现大量缺陷，大幅度降低了其原有的高载流子迁移率，导致其直接应用价值不高。

本领域需要开发一种新的制备石墨烯的方法，以克服现有技术制备图案化石墨烯后处理复杂的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种图案化石墨烯及其制备方法和用途，所述图案化石墨烯的制备方法以石墨片为碳源，可预先控制所要制备的石墨烯的图案形状，有效地解决了后续微纳加工程序复杂的问题及在柔性基底上加工制备石墨烯器件的难题，提供了工业化制备大面积复杂结构石墨烯的可能性，并且碳源的利用率高，操作简单，制备效率高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种图案化石墨烯的制备方法，所述制备方法为：在铜箔表面形成由石墨片组成的目标图案，之后，以石墨片为碳源加热生长得到具有目标图案的石墨烯。

本发明提供的图案化石墨烯以石墨片为碳源制备得到，相比于气态碳源，其能够提前图案化，并且石墨烯只在有石墨片的位置处生长，因此容易获得图案化石墨烯。另外，石墨片在1000℃时仍不会变成气态，从而碳源不会充满整个环境，因此能够实现图案化生长石墨烯。