一种具有褶皱的石墨烯片层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有褶皱的石墨烯片层及其制备方法，属于石墨烯的制备领域。所述方法为利用激光对覆盖在聚苯乙烯层上的石墨烯片层进行辐照，获得褶皱。本发明专利技术提供的在石墨烯片层上生成褶皱的方法，可以控制褶皱的生成位置，既可以在石墨烯片层的边缘生成褶皱，也可以在石墨烯片层的中间部位生成褶皱；且操作简便，操作条件易控。

【技术实现步骤摘要】
一种具有褶皱的石墨烯片层及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯的制备领域，具体涉及一种具有褶皱的石墨烯片层及其制备方法，所述具有褶皱的石墨烯片层的制备方法能够控制石墨烯片层中褶皱的生长位置。
技术介绍
石墨烯具有二维晶格结构，平面中的碳原子以sp2杂化轨道相连组成六边形晶格结构，即碳原子通过很强的σ键与相邻的三个碳原子连接，C-C键使石墨烯具有很好的结构刚性，剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围的碳原子形成π键，π电子在晶格中的离域化，使石墨烯具有良好的导电性，室温下平面上的电子迁移率为1.5×104cm2/V·s，远远超过电子在一般导体中的传导速率，因而在微电子、航天军工、能量存储装置、纳米电子器件、纳米复合材料当中有着广阔的潜在应用空间。石墨烯是“最软”的一种“金属薄膜”，表面很容易起皱，如同铺在桌面上的绸缎。这些“褶皱”会改变石墨烯的本征力学、电学等性能。为调整和控制石墨烯的电学性能，在石墨烯片层中生成褶皱是一种重要的对石墨烯进行结构加工的方法，但是控制石墨烯褶皱生长的方法非常有限。现有技术中，在石墨烯片层中生成褶皱的主要方法是将负载石墨烯的基底和石墨烯整体加热，冷却之后即在石墨烯的边缘得到褶皱。但是这种方法因为没有办法做到局部加热，褶皱只产生在边缘；且整体加热下产生的应力会在两个体系（石墨烯和聚合物基底）的边界处作用，所以只在石墨烯的边缘产生褶皱，不能有效地控制褶皱生成的部位。本领域需要开发一种能够控制石墨烯褶皱生成部位的方法，不仅使石墨烯片层的边缘能够生成褶皱，也可以在石墨烯片层的中间部位生成褶皱。
技术实现思路
针对现有技术无法在石墨烯片层的中间生成褶皱的问题，提出一种能够在石墨烯片层上生成褶皱的方法，所述方法可以控制石墨烯片层上生成褶皱的位置，既可以在石墨烯片层的边缘生成褶皱，也可以在石墨烯片层的中间任何位置生成褶皱。一方面，本专利技术提供一种在石墨烯片层上生成褶皱的方法，所述方法为利用激光对覆盖在聚苯乙烯层上的石墨烯片层进行辐照，获得褶皱。本专利技术通过激光辐照将覆盖在石墨烯片层下的聚苯乙烯层熔化，得到与激光光斑相对应的孔，覆盖在所述孔上的石墨烯片层塌陷，并在机械应力的作用下，使未塌陷的石墨烯层产生褶皱。本专利技术所述激光功率为3～15mW，例如3.3mW、3.6mW、3.9mW、4.3mW、4.8mW、5.3mW、5.6mW、5.9mW、6.5mW、7.8mW、8.4mW、8.8mW、9.2mW、9.6mW、12mW、13mW、14mW等。所述单位“mW”为功率单位毫瓦的缩写。所述激光功率太大，聚苯乙烯层容易变形，覆盖其上的石墨烯片层随之变形，不利于后续的应用；激光功率过小，聚苯乙烯层熔化困难。本专利技术所述激光波长为500～800nm，例如505nm、512nm、520nm、535nm、578nm、596nm、621nm、658nm、668nm、731nm、754nm、768nm、770nm、784nm、792nm、798nm等，优选514～785nm，进一步优选514nm，633nm或785nm中的任意1个。所述激光的光斑的直径为1～5μm，例如1.2μm、1.8μm、2.2μm、2.5μm、2.7μm、3.3μm、3.8μm、4.2μm、4.6μm、4.9μm等。光斑直径太小，现有技术实现较困难；光斑太大，激光功率太分散，不能有效熔化分解聚苯乙烯。所述激光辐照时间为5～100s，例如6s、13s、25s、36s、42s、50s、55s、68s、75s、86s、94s等。本专利技术所述聚苯乙烯的重均分子量为100×103～1000×103，例如150×103、180×103、240×103、280×103、340×103、375×103、456×103、530×103、588×103、620×103、670×103、750×103、780×103、800×103、880×103、950×103、980×103等，优选200×103～500×103。优选地，所述聚苯乙烯片层的厚度为100～500nm，例如105～115nm、112～118nm、125～136nm、136～148nm、150～160nm、168～178nm、176～189nm、185～196nm、204～215nm、265～276nm、271～283nm、306～316nm、347～357nm、382～393nm、406～416nm、438～447nm、469～479nm、486～496nm等。作为优选技术方案，本专利技术所述在石墨烯片层上生成褶皱的方法包括如下步骤：（1）在硅片上形成聚苯乙烯层；（2）在步骤（1）得到的聚苯乙烯层上形成石墨烯片层；（3）激光辐照步骤（2）得到的石墨烯片层，获得褶皱。其中，步骤（1）所述在硅片上形成聚苯乙烯层的方法为将聚苯乙烯溶液旋涂于硅片上，烘干得到聚苯乙烯层；所述聚苯乙烯层的厚度为100～500nm；所述聚苯乙烯的重均分子量为100×103～1000×103，优选200×103～500×103。其中，所述聚苯乙烯溶液的质量浓度为2～20%，例如2.1%、2.6%、3.0%、4%、7.5%、10.3%、12%、14.5%、15.6%、16.8%、17.9%、18.2%、19.2%、19.6%等；所述烘干得到聚苯乙烯层的烘干温度为120～200℃，例如124℃、128℃、135℃、138℃、142℃、156℃、168℃、175℃、186℃、196℃等。2～20%质量浓度的聚苯乙烯溶液能够容易的控制生成的聚苯乙烯层的厚度在100～500nm之间。所述聚苯乙烯溶液的溶剂为任何能够将聚苯乙烯溶解的有机溶剂，优选易挥发溶剂，典型但非限制性的实例有甲基乙基酮、甲苯、苯、氯苯、二氯甲烷、氯仿等中的任意1种或至少2种的组合，具体选择何种溶剂，本领域技术人员可以自行根据实际情况进行选择。优选地，步骤（1）所述的硅片使用前进行清洁；所述清洁为超声清洗后用氮气吹干清洗液。可选地，步骤（1）所述的硅片使用前用丙酮和无水乙醇进行超声清洗，之后用氮气吹干，备用。关于石墨烯的制备以及大尺寸石墨烯片层的转移等方面，本领域技术人员已经做了一定的研究。典型但非限制性的“在聚苯乙烯层上形成石墨烯片层的方法”可以是由化学气相沉积法制备石墨烯片层，并由聚二甲基硅氧烷（PDMS）法转移至聚苯乙烯层上；或者直接由微机械力剥离法直接在聚苯乙烯层上形成石墨烯片层；等。本专利技术所述在石墨烯片层上生成褶皱的方法中，步骤（2）所述在聚苯乙烯层上形成石墨烯片层的方法为微机械力剥离法。微机械剥离法是制备石墨烯片层常用的方法，现有技术也做了很多研究，例如徐秀娟等人在“石墨烯研究进展”（石墨烯研究进展，徐秀娟等，2009年，第12期，第2559-2566页）一文的3.2.1一节的第（1）部分中，对微机械力剥离做了说明；唐多昌等人在“机械剥离法制备高质量石墨烯的初步研究”（机械剥离法制备高质量石墨烯的初步研究，唐多昌等，2010年，第3期，第16～18页和第59页）一文的“1实验方法”部分中，对于采用机械剥离制备石墨烯的进行了详细的描述。此处不再对微机械剥离制备石墨烯的方法进行赘述。典型但非限制性的微机械剥离法在聚苯乙烯层上形成石墨烯片层的方法的具体操作为：（1）本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在石墨烯片层上生成褶皱的方法，其特征在于，所述方法为利用激光对覆盖在聚苯乙烯层上的石墨烯片层进行辐照，获得褶皱。

【技术特征摘要】
1.一种在石墨烯片层上生成褶皱的方法，其特征在于，所述方法为利用激光对覆盖在聚苯乙烯层上的石墨烯片层进行辐照，获得褶皱；所述激光功率为3～15mW。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光波长为500～800nm。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光波长为514～785nm。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光波长为514nm，633nm或785nm中的任意1个。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光光斑的直径为1～5μm。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光辐照时间为5～100s。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚苯乙烯的重均分子量为100×103～1000×103。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述聚苯乙烯的重均分子量为200×103～500×103。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚苯乙烯片层的厚度为100～500nm。10.如权利要求1～9之一所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)在硅片上形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：方英，李忠军，李强，程增光，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11