[发明专利]一种离子注入制备氮掺杂石墨烯的方法

说明书

本发明提供了一种离子注入制备氮掺杂石墨烯的方法，包括以下步骤：提供多层膜衬底，所述多层膜衬底包括依次设置的Si层、SiO₂层、非晶SiC层、Cu层和Ni层；所述非晶SiC层可替换为DLC膜；在所述多层膜衬底的Ni层表面进行氮离子注入，得到氮掺杂衬底；将所述氮掺杂衬底进行退火，得到氮掺杂石墨烯。本发明结合离子注入技术和固态碳源法，以非晶SiC或者DLC膜为碳源，通过氮离子注入，使氮原子和碳原子共偏析一步制备出氮掺杂的石墨烯；通过对离子注入参数的控制实现对氮原子的掺杂量的控制。实验结果表明，本发明提供的方法能够精确控制氮原子的掺杂量，得到的氮掺杂石墨烯电子迁移率可达850cm²V^‑1s^‑1。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，特别涉及一种离子注入制备氮掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种新型的二维材料，由于其在机械，光学，电学和化学等方面具有优异的特性，所以石墨烯材料拥有巨大的应用潜力。但是本征石墨烯的价带和导带在布里渊区中心呈锥形接触，是零带隙的半导体或者说半金属，不能起到关断的作用，限制了其在纳米电子学方面的应用潜力，因此打开本征石墨烯的带隙具有十分重要的意义。掺杂是一种最为常见的方法来调制石墨烯的电学性能，常见的掺杂异质原子主要是N(氮)和B(硼)。

目前，氮掺杂石墨烯研究主要有如下几种：

1、化学气相沉积(CVD)法：一般使用过渡金属(例如铜，镍)作为衬底，在高温下同时通入气态的碳源和异质原子的气体(例如NH₃)直接在催化衬底上制备N掺杂的石墨烯。这种方法会受到气流速度，生长温度，生长时间和催化衬底等因素影响，难以精确的调控掺杂的形式和掺杂量。

2、辐照或等离子体处理法：这种方法是直接利用低能离子或者等离子体轰击石墨烯，从而达到替位掺杂的目的，但是由于N原子替位掺杂效率低下，轰击同时会导致更多的点缺陷，影响石墨烯材料的电学性能。

3、化学溶剂法，这种方法一般是把氧化石墨烯和含氮元素的溶液一起水浴加热，然后高温处理得到掺杂石墨烯材料。这种方法的掺杂量和可控性都很差，并且很难制备出大面积的石墨烯材料，无法满足纳米电子学的要求。

综上所述，现有技术中制备氮掺杂石墨烯的方法都存在氮掺杂量不可控，制备得到的氮掺杂石墨烯电学性能差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子注入制备氮掺杂石墨烯的方法。本发明提供的方法能够精确控制氮的掺杂量，制备的氮掺杂石墨烯具有良好的电学性能。

本发明提供了一种离子注入制备氮掺杂石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)提供多层膜衬底，所述多层膜衬底包括依次设置的Si层、SiO₂层、非晶SiC层、Cu层和Ni层；所述非晶SiC层可替换为DLC膜；

(2)在所述多层膜衬底的Ni层表面进行氮离子注入，得到氮掺杂衬底；

(3)将所述氮掺杂衬底进行退火，得到氮掺杂石墨烯。

优选的，所述步骤(1)多层膜衬底中非晶SiC层或DLC膜的厚度为10～50nm。

优选的，所述步骤(1)多层膜衬底中非晶SiC层或DLC膜采用磁控溅射法制备。

优选的，所述步骤(1)多层膜衬底中Cu层的厚度为50～200nm。

优选的，所述步骤(1)多层膜衬底中Ni层的厚度为200～400nm。

优选的，所述步骤(1)多层膜衬底中Cu层和Ni层独立地采用过滤阴极真空电弧镀膜法制备。