[发明专利]一种利用图形化衬底压印制备石墨烯纳米网的方法

说明书

本发明涉及一种利用图形化衬底压印制备石墨烯纳米网的方法，其主要步骤包括：衬底/Gr制备、图形化衬底的清洗、衬底/Gr与图形化衬底的组装、压印、脱模和GNM表征。对比现有的GNM制备方法，本发明利用图形化衬底中的凸起图案在压印过程中将Gr穿透，可实现快速、大面积、均匀、低成本、高孔隙率、低缺陷GNM的制备。根据图形化衬底的选取，可实现多种图案及尺寸的GNM制备。另外，本发明所采用的方法普适性高，可以迁移至除Gr以外其他二维材料如MoS₂、BN等纳米网的制备。

技术领域

本发明涉及一种利用图形化衬底压印制备石墨烯纳米网(GNM)的方法，属于半导体材料制备及加工领域。

背景技术

自石墨烯(Gr)问世以来，图案化Gr得到了广泛的关注和研究并应用于Gr光子学、等离激元和超级电容器等各种领域。很多Gr多孔材料也因此诞生，比如Gr纳米网(GNM)、褶皱Gr(CG)和Gr泡沫(GF)等。其中GNM是指在一层或多层Gr中形成高密度的纳米级或亚纳米级孔阵列。在GNM中主要有两个结构参数：颈宽和周期性，颈宽和周期性分别定义为纳米网中两个相邻孔之间最小的边到边距离和中心到中心的距离。这种纳米孔隙结构及其密度分布对于Gr材料的电子特性，表面相互作用和化学反应活性都有十分重要的影响。而且该结构还可以改变Gr的零带隙结构，赋予其半导体性能。总之，GNM具有直接带隙、高比表面积的开放多孔结构，再加上与Gr固有性能的结合，使其在很多领域具有很大的应用潜力，比如储能、传感、分子筛和电子器件等。

GNM的应用领域广泛，包括：

1、储能器件——超级电容器与锂离子电池

由于平面Gr与Gr片之间的范德华力作用，使得Gr在超级电容器以及锂离子电池等储能器件应用中容易发生堆叠和聚集，导致Gr与电解液的有效接触减少。而电容器的电容正比于电极材料的比表面积，另外电池电解液中Gr的聚集会造成离子扩散以及传输路径的减少。所以Gr的聚集和堆叠最终可造成电容器电容降低或者电池充放电时间的延长。而GNM为上述问题提供了良好的解决途径，这是因为GNM既扩大了比表面积，又为快速传质提供了可能。

2、电子器件——FET

理论上，平面Gr具有零带隙结构，这限制了其在很多电子器件中的应用，比如，在制备FET时，没有足够带隙的Gr通道无法使器件在室温下关闭。目前，Gr的能带结构可以通过掺杂、加氢、制备Gr纳米带(GNR)或GNM等方式来改变。在GNM中，Gr的带隙可通过孔径大小以及孔隙率进行调节，比如颈宽的增加可造成带隙的减小。另外，研究发现，基于GNM的晶体管可以支持的驱动电流，比具有近似开关比的单个GNR器件的驱动电流大近100倍。在一阶近似下，GNM可以看作是多个GNR组成的导电网络。因此，GNM的带隙与平均带宽成反比，另外，FET的开关比与带隙宽度的指数成正比。因此，基于GNM的FET在对数尺度上的开关比与平均带宽成反比。但与平面Gr相比，GNM的电导率要低1～2个数量级。

3、化学与生物传感

与平面Gr相比，GNM中的周期或准周期纳米孔具有更多的活性中心和边缘，因此可以获得更高的化学反应和电催化活性。GNM成为开发小型、紧凑、廉价、功耗小的高性能传感器的理想材料。特别的，基于GNM的FET还因具有结构简单，易于批量生产，接触面积大以及信号放大的特点而在传感领域具有良好的发展前景。例如，Paul等人分别使用CH₄和乙醇生长的GNM制备了两种FET，并将它们用于高灵敏度的气体检测。

4、Gr膜技术

具有原子层厚度和出色机械强度的2D Gr材料被认为是膜技术中优良的选择性层，它具有促进清洁，化学性质稳定以及选择性强的特点。利用GNM中形成的纳米孔隙结构可实现不同大小分子的分离。但是，基于膜技术的分离应用需要大规模生产具有高选择性和可靠渗透性的GNM膜。GNM膜的分离应用主要包括气体渗透和分离，水处理，DNA易位和蛋白质分离，这些应用均与GNM膜的形态有关，比如孔径尺寸及其密度分布等。