CN102976313A - 一种石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在石墨烯的制备方法，其步骤包括：1）在真空环境下，在过渡金属基底上制得石墨烯；2）将适量金属铪蒸发沉积到石墨烯上；3）对整个样品进行退火处理，以将覆盖在石墨烯表面的铪插入石墨烯和过渡金属基底之间，形成铪插层。本发明通过插入铪插层，石墨烯显示了准自由态石墨烯的典型的拉曼谱线，G峰和2D峰，因此能够屏蔽石墨烯和金属基底的相互作用，恢复石墨烯的本征电子性质。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯的制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术
石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化轨道结合而成的二维蜂窝状晶体结构，是构建其他碳同素异形体（石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯）的基本单元。石墨烯独特的晶体结构使它具有优异的电学、热学和力学性能，如：①高导电性、载流子传输率(200,000cm2/V·s)；②高强度，杨氏模量(1,100GPa)，断裂强度(125GPa)；③高热导率(5,000W/mK)；④高的比表面积(理论计算值：2,630m2/g)。石墨烯成为目前最理想的二维纳米材料。
为了综合利用石墨烯的众多优异特性，高质量石墨烯的制备变得至关重要。自2004年英国曼彻斯特大学的Geim研究组采用胶带剥离法首次成功分离获得稳定存在的石墨烯后，各种制备石墨烯的方法陆续被发展起来，除了提到的机械剥离石墨法以外，还有外延生长法，石墨氧化分散还原法以及化学气相沉积方法等。
在以上常见的石墨烯制备方法中，化学气相沉积法是指在过渡金属的催化作用下，利用高温分解碳氢气体，在过渡金属表面形成石墨烯片层。该方法是目前制备大面积高质量石墨烯的主要方法之一。
然而，石墨烯和其金属基底之间的电子轨道耦合严重的影响和抑制了石墨烯的本征电子结构，阻碍了对石墨烯本征电子性质的研究和基于石墨烯的电子学应用。
因此，寻找一种弱化和屏蔽石墨烯-金属基底相互作用的方法显得尤为重要。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种石墨烯的制备方法，能够弱化和屏蔽石墨烯-金属基底相互作用。
本发明提供了一种石墨烯的制备方法，其步骤包括：
1）在真空环境下，在过渡金属基底上制得石墨烯；
2）将适量金属铪蒸发沉积到石墨烯上；
3）对整个样品进行退火处理，以将覆盖在石墨烯表面的铪插入石墨烯和过渡金属基底之间，形成铪插层。
上述插层所用的石墨烯是通过高温热分解含碳气体的方法生长在过渡金属基底上的。
上述用于外延生长石墨烯的过渡金属基底为铱的（111）面。
上述的铪是通过电子束蒸发的方法沉积在石墨烯上的。
上述进行铪插层的退火温度为300℃~450℃，优选为400℃。
上述插入到石墨烯和铱基底之间的铪薄膜形成了一种周期为5.4nm的超结构，该周期性超结构可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射所表征。
上述的金属铪也可以替换为银或钇。
本发明通过插入铪插层，石墨烯显示了准自由态石墨烯的典型的拉曼谱线，G峰和2D峰，因此能够屏蔽石墨烯和金属基底的相互作用，恢复石墨烯的本征电子性质。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了本发明实施例1中在铱的（111）面上制备的高质量石墨烯的扫描隧道显微镜图像；
图2示出了本发明实施例1中制得的石墨烯的低能电子衍射图案，包括基底铱和石墨烯的衍射斑点；
图3示出了本发明实施例1中在石墨烯表面沉积的高覆盖度的铪颗粒；
图4示出了本发明实施例1中样品400℃退火以后在石墨烯和铱基底界面处的铪插层形成的超结构；
图5示出了本发明实施例1中样品退火以后铪插层形成的超结构对应的低能电子衍射图案；
图6示出了本发明实施例1中铪插层石墨烯和未插层石墨烯的拉曼光谱；
图7示出了本发明实施例2中铪在石墨烯表面沉积的低覆盖度的铪颗粒；
图8示出了本发明实施例2中样品退火以后铪插层形成的超结构对应的低能电子衍射图案；
图9示出了本发明的整体制备过程效果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对铪插层石墨烯的制备方法作进一步的详细说明。此实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例1
本实施例采用在过渡金属表面的化学气相沉积的方法制备高质量石墨烯并通过电子束加热退火方式进行铪插层。具体步骤为：首先在真空腔内对铱单晶进行几次或者十几次氩离子溅射，然后通过高温退火得到干净平整的（111）晶面。将铱基底加热并保持在850℃，向真空腔内通入1x10-6mbar x80s的乙烯气体，之后将铱升温至1000℃并保持20s,从而制备出石墨烯。如图1和图2所示，铱的（111）面上制备的石墨烯具有典型的周期为2.5nm的摩尔图案。本发明的整体制备过程效果示意图如图9所示。
之后通过电子束蒸发源将金属铪均匀沉积在制备好的石墨烯表面，如图3所示，铪颗粒选择性地沉积在石墨烯表面的某些特殊的对称位置，形成了规则分布。
将沉积有铪颗粒的石墨烯在400℃下退火，如图4所示，原来沉积在石墨烯表面的铪颗粒消失了，而在石墨烯下面形成了一种周期为5.4nm的超结构，该结构源于铪插层。图5的低能电子衍射图案可以表明该超结构的存在。
将最终制备的石墨烯/铪/铱异质结构进行拉曼光谱实验，如图6所示，对比未插层石墨烯的拉曼光谱，插入铪插层的石墨烯显示了准自由态石墨烯的典型的拉曼谱线,G峰和2D峰，进一步证明了通过此方法制备的铪插层成功地屏蔽了石墨烯和金属基底的相互作用，恢复了石墨烯的本征电子性质。
实施例2
具体步骤为：首先如实施例1中所述得到干净平整的铱的（111）面，然后在室温下通入5x10-6mbar的甲烷气体100s，然后将样品退火至1100℃，退火时间为20s，至此成功制得石墨烯。之后通过直流加热铪棒的方式将金属铪均匀沉积在制备好的石墨烯表面，如图7所示，沉积有低覆盖度铪的石墨烯表面。然后将沉积有铪颗粒的石墨烯样品在300℃退火以后，样品的低能电子衍射图像如图8所示，样品表面也出现了同样的（2x2）超结构，该超结构也正是铪插入石墨烯和金属基底界面形成的。
上面虽然对本发明进行详细的描述，然而也可以在不脱离本发明主要思想的条件下，进行各个条件的适当变化。可以理解为，本发明不限于上述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。例如，本发明中用于生长石墨烯的基底为过渡金属铱，它可以替换为钌，铜，铂等；本发明中的插层金属也可以替换为除铪以外的其他金属，如银，钇等，也能够取得与上述实施例相当的效果。
Claims (8)
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）在真空环境下，在过渡金属基底上制得石墨烯；
2）将适量金属铪蒸发沉积到石墨烯上；
3）对整个样品进行退火处理，以将覆盖在石墨烯表面的铪插入石墨烯和过渡金属基底之间，形成铪插层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，插层所用的石墨烯是通过高温热分解含碳气体的方法生长在过渡金属基底上的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于外延生长石墨烯的过渡金属基底为铱的（111）面。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属铪是通过电子束蒸发的方法沉积在石墨烯上的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行铪插层的退火温度为300℃~450℃。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，退火温度为400℃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铪插层为周期为5.4nm的超结构，该周期性超结构可以被扫描隧道显微镜和低能电子衍射所表征。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属铪也可以是银或钇。
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