一種常溫常壓下利用激光快速制備石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯的制備領(lǐng)域，具體涉及一種常溫常壓下利用激光快速制備石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從2004年英國科學(xué)家安德烈?蓋姆(AndreGeim)和康斯坦丁 ?諾沃肖羅夫(Konstantin Novoselov)用機械分離法成功獲得石墨稀以來，石墨稀就在全世界范圍內(nèi)掀起了廣泛的研究熱潮。
[0003]石墨烯是碳原子以SP2雜化連接的單原子構(gòu)成的二維晶體，它幾乎完全透明，是目前自然界最薄、強度最高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的材料，常溫下其電子迀移率超過15000 cm2/(V.S)，其在納米電子器件、傳感器件和光電器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。隨著對石墨烯研究的深入，石墨烯的制備主要有兩類方法:一類是以石墨為原料，通過物理或化學(xué)剝離或裁剪的方法獲得單層或多層石墨烯;另一類是以含碳化合物為原料，通過化學(xué)分解、碳原子結(jié)晶生長等方法獲得。具體的方法主要有:機械剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、取向附生長法、晶體外延生長法等等。上述方法雖然較成熟，但仍存在一些不足。比如機械剝離法雖然操作簡單，但產(chǎn)率低，尺寸不易控制?；瘜W(xué)氣相沉積法被認為是最有希望制備出高質(zhì)量、大面積石墨烯的方法，是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜最具潛力的方法。但是其工藝溫度一般較尚，耗時長，且成本較大。
[0004]因此，提供一種能夠在常溫常壓大氣環(huán)境下快速制備石墨烯的方法是目前亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種常溫常壓大氣環(huán)境下快速制備石墨烯的方法，利用激光作用于浸沒在液態(tài)碳源的金屬催化劑上，直接在金屬表面可制備得到石墨烯薄膜，該方法升溫與降溫速度快，具有快速制備石墨烯的優(yōu)點。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種常溫常壓下利用激光快速制備石墨烯的方法，將經(jīng)預(yù)處理后的金屬催化劑浸沒在裝滿液態(tài)碳源的石英玻璃皿中，密封，在常溫常壓的大氣環(huán)境下，采用激光光源輻照金屬催化劑，在金屬表面形成石墨稀薄膜。
[0007]若使所述激光光源按一定的圖案對所述催化劑金屬進行掃描照射，還可以在所述催化劑金屬表面形成圖案化石墨烯薄膜。
[0008]所述催化劑金屬為銅、鎳、鈷、釕、鐵中的一種或其合金。
[0009 ] 所述液態(tài)碳源為液態(tài)苯、甲醇、乙醇、乙二醇、己烷、甲苯等。
[0010]所述激光光源為近紅外激光光源或可見光光源，脈寬為皮秒或納秒，掃描速度為0.1-100 mm/s，激光束斑直徑在0.8?50微米，功率密度為14?16 W/cm2。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于: (1)本發(fā)明利用高功率密度激光束掃描浸沒在液態(tài)碳源中的催化劑金屬表面，具有升溫與降溫速度快的特點，是一種快速制備石墨烯的方法；
(2)本發(fā)明采用常見的液態(tài)碳源，成本低、易獲取;整個制備過程液態(tài)碳源與催化劑金屬密封在石英玻璃皿中，制備過程安全無污染，不生成副產(chǎn)物，且整個制備過程在常溫常壓的大氣環(huán)境下進行，工藝簡單易操作；
(3)采用聚焦的激光束作用時，配合掃描振鏡和加工平臺的運動，可以掃描出所設(shè)計的任意圖案，得到圖案化的石墨烯。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明實施例一的石墨稀制備不意圖；
圖2為本發(fā)明實施例一所制備的石墨烯薄膜示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例二的石墨烯制備示意圖；
圖4為本發(fā)明實施例二所制備的石墨烯薄膜示意圖；
圖5為本發(fā)明實施例一所制備的石墨烯的拉曼光譜。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明提供的一種常溫常壓大氣環(huán)境下快速制備石墨烯的方法，其包括:提供一催化劑金屬;提供一液態(tài)碳源，將所述催化劑金屬浸沒在該液態(tài)碳源中；提供一激光光源，使其透過所述液態(tài)碳源照射于所述催化劑金屬上，在催化劑金屬的催化作用下，所述液態(tài)碳源在催化劑金屬表面形成石墨烯薄膜。若使所述激光光源按一定的圖案對催化劑金屬進行掃描照射，還可以在催化劑金屬表面形成圖案化石墨烯薄膜。
[0014]其中，本發(fā)明的原理是激光照射于催化劑金屬表面，使得催化劑金屬瞬間加熱，從而吸收液態(tài)碳源的碳原子，當(dāng)激光束移開后，催化劑金屬快速降溫，從而使碳原子從金屬表面析出，最終形成石墨烯薄膜。
[0015]為讓本發(fā)明的特征和優(yōu)點更明顯易懂，現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
[0016]實施例一
(1)如圖1所示，首先，提供一銅箔10，將其浸入到硝酸(70%，aq)中30_90秒;隨后將銅箔浸入到去離子水中清洗5次以除去表面的殘留物;接著分別用丙酮和異丙醇對銅箔進行沖洗，以除去水分，并用氮氣吹干;最后將其置于管式爐中，在氫氣的保護下，進行950°C的退火處理1分鐘；
(2)提供一石英玻璃皿11，將液態(tài)苯12裝滿該石英玻璃皿;然后將所處理的銅箔浸入到液態(tài)苯中，使其完全被液態(tài)苯淹沒；
(3)提供一激光光源13輻照置于液態(tài)苯12中的銅箔10，該激光光源為近紅外光源，且波長為1.06 μπι，激光束斑為高斯光束，直徑為30 μπι，功率密度為I X 16 W/cm2，以I mm/s的速度進行圖案化掃描;銅箔10可有效地吸收激光的能量而快速升溫，從而吸收周圍液態(tài)苯的碳原子，使得碳原子吸附于銅箔表面，進而成核生長成石墨烯島，當(dāng)激光掃描結(jié)束時，銅箔快速降溫，最終在銅箔10表面形成圖案化石墨烯薄膜14，如圖2所示。
[0017]實施例二 (1)如圖3所示，首先，提供一基板20，該基板可以為玻璃、二氧化硅或塑料;在基板20上蒸鍍一層金屬鎳21，其厚度為50-100 nm;
(2)提供一石英玻璃皿22，將液態(tài)苯23裝滿該石英玻璃皿;然后將鍍有金屬鎳的基板浸入到液態(tài)苯中，使其完全被液態(tài)苯淹沒；
(3)提供一激光光源24輻照置于液態(tài)苯23中的基板上的金屬鎳21，該激光光源為近紅外光源，且波長為1.06 μπι，激光束斑為高斯光束，直徑為30 μπι，功率密度為2 X 15 ff/cm2,以I mm/s的速度進行圖案化掃描;金屬鎳21可有效地吸收激光的能量而快速升溫，從而吸收周圍液態(tài)苯的碳原子，當(dāng)激光掃描結(jié)束時，金屬鎳快速降溫，從而使碳原子從金屬鎳的表面析出，最終在金屬鎳的上表面形成多層圖案化石墨烯25，下表面也形成多層圖案化石墨烯26;
(4)利用一FeCl3水溶液將金屬鎳膜21剝離，此時在金屬鎳的下表面即金屬鎳與基板之間形成的圖案化石墨烯26完整地留在基板20上，如圖4所示。
[0018]綜上所述，本發(fā)明制備方法新穎，制作成本低，制備工藝簡單，不僅制備的速度快，而且制備的環(huán)境無需特殊的要求，在常溫常壓的大氣環(huán)境下就可進行。再者，本發(fā)明還可以根據(jù)實際要求，配合掃描振鏡和加工平臺的運動，制備出圖案化的石墨烯薄膜。
[0019]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【主權(quán)項】
1.一種常溫常壓下利用激光快速制備石墨烯的方法，其特征在于:將經(jīng)預(yù)處理后的金屬催化劑浸沒在裝滿液態(tài)碳源的石英玻璃皿中，密封，在常溫常壓的大氣環(huán)境下，采用激光光源輻照金屬催化劑，在金屬表面形成石墨烯薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述常溫常壓下利用激光快速制備石墨烯的方法，其特征在于:所述金屬催化劑包括銅、鎳、釕、鈷、鐵中的一種或其合金。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述常溫常壓下利用激光快速制備石墨烯的方法，其特征在于:所述液態(tài)碳源包括液態(tài)苯、甲醇、乙醇、乙二醇、己烷、甲苯中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述常溫常壓下利用激光快速制備石墨烯的方法，其特征在于:所述激光光源為近紅外激光光源或可見光光源，脈寬為皮秒或納秒，掃描速度為0.1-100 mm/s，激光束斑直徑在0.8?50微米，功率密度為14?16 ff/cm2。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種常溫常壓下利用激光快速制備石墨烯的方法，包括以下步驟：提供一催化劑金屬；提供一液態(tài)碳源，將催化劑金屬浸沒在該液態(tài)碳源中；提供一激光光源，使其透過液態(tài)碳源照射于該催化劑金屬上，使催化劑金屬瞬間加熱，液態(tài)碳源在催化劑金屬的作用下在催化劑金屬表面形成石墨烯薄膜。若使激光光源按一定的圖案對催化劑金屬進行掃描照射，還可以在催化劑金屬表面形成圖案化石墨烯薄膜；該方法升溫與降溫速度快，具有快速制備石墨烯的優(yōu)點。
【IPC分類】C01B31/04
【公開號】CN105523554
【申請?zhí)枴緾N201610078743
【發(fā)明人】胡海龍, 郭太良, 黃航, 朱敬光, 李福山, 楊尊先, 周雄圖, 張永愛, 葉蕓, 孫磊
【申請人】福州大學(xué)
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2016年2月4日