[发明专利]一种激光制备硼掺杂石墨烯的装置和方法

说明书

本发明涉及一种激光制备硼掺杂石墨烯的装置和方法，包括反应容器、激光发生系统、计算机控制系统、清洗系统和定位加紧装置。高功率纳秒脉冲激光装置发出的激光经过扩束镜扩大光斑直径后，再经过聚焦透镜冲击放置于石墨与硼酸混合悬浮溶液中的铜箔。铜箔表面在极短时间内吸收大量的激光能量，并且受到周围石墨与硼酸混合溶液的限制，热量无法传输，在铜箔表面形成高温高压的等离子体区，从而诱导溶液中的石墨颗粒和硼元素转变成掺杂硼元素的石墨烯，并且沉积在铜箔上。本发明的装置和方法能够能够连续合成出高质量的晶格掺杂石墨烯。

技术领域

本发明涉及一种激光制备硼掺杂石墨烯的装置及方法，适用于硼掺杂石墨烯制备技术领域。

背景技术

自从2004年英国学者Novoselov和Geim等人利用热剥离胶带重复撕扯的方式成功从高定向热解石墨（HOPG）获得单层石墨烯以来，如何高效、便捷的制备石墨烯就一直受到科研人员的密切关注。

在石墨烯掺杂领域，在合成石墨烯的实验环境中加入硼源或者氮源可以制备硼掺杂和氮掺杂石墨烯。目前大多数制备掺杂石墨烯都是使用化学方法在石墨烯制备完成之后进行的后处理掺杂。然而这些方法一方面制备工艺过程比较复杂，能耗过高，得不偿失，另一方面，仅仅局限于实验室进行，制备条件要求比较苛刻，无法大规模的生产，转化效率低下，不利于工业化的生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光制备硼掺杂石墨烯的装置和方法，能够连续合成出高质量的晶格掺杂石墨烯。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种激光制备硼掺杂石墨烯的装置，包括反应容器，所述反应容器位于三维移动平台上，所述反应容器包括反应室和收集室，所述反应室和收集室之间通过排污管道连通，所述排污管道上设有排污阀，所述反应室位于磁力搅拌器上，所述反应室内设有装有铜箔的凸台和磁力搅拌器转子，所述反应室上方安装有激光发生系统。

上述方案中，所述凸台靠近所述反应室的内壁面，所述磁力搅拌器转子位于所述反应室的中央位置。

上述方案中，所述铜箔上方安装有气喷嘴和液喷嘴，所述气喷嘴通过气管依次与第二两位两通电磁阀、氮气瓶连接，所述液喷嘴通过管道与水泵连接，所述水泵通过管道与三位三通电磁阀连接，所述三位三通电磁阀通过管道分别与第一储液槽和第二储液槽并联。

上述方案中，所述氮气瓶通过气管与第一两位两通电磁阀连接，所述第一两位两通电磁阀和所述第二两位两通电磁阀并联连接，所述第一两位两通电磁阀通过气管与柱塞缸连接，所述柱塞缸内的柱塞杆穿过所述反应容器后末端固定有连接推杆，所述连接推杆与反应室的外壁面接触。

上述方案中，所述激光发生系统包括脉冲激光装置、扩束镜、全反镜和激光加工头。

上述方案中，所述脉冲激光装置与计算机连接，所述计算机上连接有数字控制器，所述数字控制器上分别与三维移动平台、第一两位两通电磁阀、第二两位两通电磁阀、水泵、三位三通电磁阀和排污阀连接。

本发明还提供了一种激光制备硼掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：A：设置反应装置，将铜箔用双面胶带粘附于凸台上，再将凸台放置于反应室中；B：取100ml去离子水，加入2g高纯度碳粉和1g硼酸，将所得混合溶液放置于超声波清洗装置中震荡5~10分钟，使硼酸和碳粉均匀的分布于去离子水中；第一储液槽内装离子水，第二储液槽内装酒精；C：在反应室中注入混合溶液，液面高于铜箔表面约5mm，打开磁力搅拌器；D：打开脉冲激光装置和定位夹紧装置，同时三维移动平台动作，通过先前编好的程序控制三维移动平台做X和Y方向的直线插补运动，直至整个铜箔表面完成冲击；E：关闭脉冲激光装置，打开排污阀，排出混合溶液至收集室；数字控制器控制清洗吹干装置动作，对样品依次用去离子水和酒精进行淋洗，再用氮气进行吹干；F：关闭所有装置，将铜箔取下进行后续的转移处理。

上述方案中，所述脉冲激光装置发出激光的功率密度高于10⁹W/cm²。