[发明专利]一种MPCVD制备掺杂氮磷石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种MPCVD制备掺杂氮磷石墨烯的方法，在微波等离子体沉积装置中进行，包括步骤如下：S1：将于P₂O₅粉末放入罩子带有孔的石英坩埚中，然后置于离子体反应腔内；S2：在清洗烘干过的硅衬底上镀一层金属催化剂薄膜，然后置于沉积室中。本发明通过微波等离子体气相化学沉积，直接反应制备得到氮磷共掺杂石墨烯，摒弃了对环境和设备存在污染和腐蚀的气体，制备工艺更加绿色环保；与氧化还原法相比，本发明方法性价比高，产量高，可制备大片径氮磷共掺杂石墨烯，厚度易于控制，可以规模化生产，并且石墨烯中的N原子和P原子掺杂浓度可调，具有较高的科研与产业化应用价值。

技术领域

本发明涉及石墨烯生产相关技术领域，特别涉及一种MPCVD制备掺杂氮磷石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由C原子组成六元环平面延展构成的二维碳材料。其优异的光学、电学、力学特性、热性能和超大比表面积等优点，使得石墨烯成为关注的热点。但石墨烯是零带隙材料，在很大程度上限制了石墨烯在电学器件上的应用；并且石墨烯表面为惰性，不存在活化官能团，不利于与其他材料的复合。在石墨烯中进行杂原子掺杂，可以在较大程度保证石墨烯优良电学性能前提下，引入能带隙，并提供石墨烯表面反应位点，增强石墨烯的化学性能，能够和其他材料更好的复合，从而更方便地应用于诸多领域如半导体芯片、存储器、生物传感器等。其原理是：用电负性较C原子大的(N、S)可以提供电子给相邻的C原子或用电负性比碳原子小的(B、P)会诱发产生空穴电荷载体，与石墨烯进行掺杂，进而增加电荷密度和能态密度。两种原子共掺杂，其中一个原子的电负性比碳原子高(如N)，另一个原子的电负性比碳原子低(如P)，可以形成一种独特的电子结构(P-C-N)，N原子提供电子和P原子吸收电子，使活性位点从C原子上转移到P原子上。由于协同耦合效应，使得双掺杂比单掺杂改性的石墨烯的氧还原催化效率高，更有利于石墨烯在催化剂或者其他半导体器件领域的应用。

微波等离子体化学气相沉积法可以在较低的生长温度下，在不同衬底材料上制备不同性能的高质量石墨烯，近年来备受关注。目前微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的石墨烯存在的问题主要有：制备的成本较高，样品的均匀性和层数难以控制，制备的样品需要转移到目标衬底材料上等。如：中国专利号201410837306.2公开了一种氮磷共掺杂石墨烯的制备方法，该方法是在管式炉中制备石墨烯，设备简单，成本较低，N、P掺杂溶度可调，但过程相对繁琐，需要额外提供保护气体，并且温度不均匀，会影响石墨烯的质量。再如，中国专利号201710388049.2公开了一种氮磷共掺杂石墨烯及制备方法与应用。该方法采用氧化石墨烯与氮磷化合物混合，制备的石墨烯具有高比表面积和高导电性，但氧化石墨烯需要前期的酸化处理而制得，并会使用较多污染化学试剂，过程繁琐。因此，发明一种MPCVD制备掺杂氮磷石墨烯的方法来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明提供了一种MPCVD法制备氮磷共掺杂石墨烯的制备方法。原料来源广泛，没有使用化学污染试剂，制备成本低，并且石墨烯制备腔体温度均一，在稳定条件下生长石墨烯，石墨烯厚度可控，可以制备出高质量、大面积的改性石墨烯，并且制备过程简单，产率高。可以让反应物在稳定条件下生成高质量的氮磷掺杂石墨烯。本发明以CH₄为碳源，以N₂为氮源，以P₂O₅为磷源。本发明的制备的氮磷共掺杂石墨烯，采用MPCVD法制备，制备得到的石墨烯。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种在微波等离子体沉积装置中进行，包括步骤如下：

S1：将于P₂O₅粉末放入罩子带有孔的石英坩埚中，然后置于离子体反应腔内；

S2：在清洗烘干过的硅衬底上镀一层金属催化剂薄膜，然后置于沉积室中，抽真空，向沉积室內通入N₂气，N₂流速在10cm³/min-30cm³/mmin；