一种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法技术

本发明专利技术提供一种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，所述方法包括步骤：首先提供一基底，将所述基底置于双温区系统，并在所述双温区系统中放置碳氮源，加热以在所述基底表面沉积形成氮掺杂石墨烯的前驱层；然后通入气体碳源，高温条件下碳沉积反应形成氮掺杂石墨烯薄膜。本发明专利技术在固液体碳氮源生长氮掺杂石墨烯方法的基础上引入小分子气体碳源来完善前驱层，使得现有方法中缺陷较多，电学性质较差，掺杂浓度不可控的氮掺杂石墨烯薄膜质量得到改善，从而获得电学性能优秀，缺陷较少的氮掺杂可控的N型石墨烯薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料制备加工领域，特别是涉及一种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种单层碳原子以六边形结构排布而成的具有蜂窝状结构的二维材料，自2004年首次通过微机械剥离制取以来，因其独特的光学、电学、热学以及力学性质，得到了来自世界各地的研究人员的广泛关注。这些优异的性能使石墨烯在触摸屏、场效应晶体管、灵敏传感器、太阳能电池、高性能电池和超级电容等诸多领域都有潜在应用。然而，本征石墨烯零带隙的特点也给其在电子器件领域的应用带来了困难，如漏电流大、开关比低等，于是如何获得n型以及p型石墨烯成为其在电学应用中的关键。科学家针对此问题开发了多种方法与技术，其中氮元素的掺杂是其向n型半导体转变的重要手段。目前石墨烯掺氮方法主要有化学气相沉积(CVD)法、水热合成法、离子体溅射技术等等，这些方法合成效率和质量普遍较低，亟待改进。其中金属催化的CVD法在大面积生长石墨烯薄膜存在优势，因此该方法也被用来生长氮掺杂石墨烯薄膜。如刘云圻研究组通过使用小气体分子甲烷气体作为碳源，氨气作为氮源，在硅基底表面沉积25nm厚的铜膜作为催化剂，在800℃的高温下保持10分钟，制得了少数几层的氮掺杂石墨烯；此外，固体液体碳氮源如吡啶、三聚氰胺等也被用来生长掺氮石墨烯薄膜，具体为使用载气将固液体碳氮源蒸汽带入置于一定温度条件下的金属催化剂基底上，在基底表面沉积而得到掺氮石墨烯薄膜。尽管上述CVD方法制备的石墨烯薄膜工艺简单，但是依旧存在一些问题，如石墨烯缺陷较多，电学性质差，氮掺杂浓度不易控制，薄膜层数难于控制等。因此寻求一种能够降低石墨烯薄膜中缺陷、提高电学性质的高质量大面积氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法对于现在石墨烯在光电子器件、太阳电池等领域的应用具有重大意义。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，用于解决现有技术中氮掺杂石墨烯薄膜掺杂浓度不易控制、晶格缺陷多、电学性质差等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，所述
制备方法至少包括：1)提供一基底，将所述基底置于双温区系统，并在所述双温区系统中放置碳氮源，加热以在所述基底表面沉积形成氮掺杂石墨烯的前驱层；2)通入气体碳源，高温条件下碳沉积反应形成氮掺杂石墨烯薄膜。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤1)中，放置碳氮源之前，还包括在保护气氛下将基底进行退火处理的步骤。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤1)中采用化学气相沉积工艺形成氮掺杂石墨烯的前驱层，包括步骤：1-1)将所述碳氮源与基底放置在双温区系统的不同区域，并分别加热，同时通过载气将碳氮源蒸汽引入基底所在区域，进行沉积；1-2)停止加热，冷却至室温，取出表面沉积有氮掺杂石墨烯前驱层的基底。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤1-1)中碳氮源的加热温度范围为50～200℃。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤1-1)中基底的加热温度范围为250～600℃。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤1-1)中载气为氢气或氢气和氩气的混合气体。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤1)中沉积时间为10min～80min。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤1)中碳氮源为氮芳杂环化合物及其衍生物。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述碳氮源为固体或者液体。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述基底材料为Au、Co、Pt、Pd、Ir、Ru、Ni、Cu中的一种或多种的合金材料、或镀有以上金属材料或合金材料的金属箔、硅片、玻璃。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，选用Au、Co、Pt、Pd、Ir、Ru、Ni、Cu中的一种或多种的合金材料为基底时，还需要对基底进行处理，处理方式包括采用醋酸、硝酸或盐酸进行化学抛光、或在磷酸条件下进行电化学抛光。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤2)至少包括步骤：2-1)将沉积有氮掺杂石墨烯前驱层的基底放入高温系统中；2-2)加热所述高温系统并通入氢气和小分子气体碳源，使氮掺杂石墨烯前驱体结晶并进一步反应沉积；2-3)停止加热，冷却至室温，取出沉积有氮掺杂石墨烯薄膜的基底。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤2)中碳源为低碳链碳氢化合物。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤2)沉积时间为0.5～50min。作为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法的一种优选的方案，所述步骤2)加热温度为600℃～1100℃。如上所述，本专利技术的氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，具有以下有益效果：本专利技术以氮掺杂石墨烯薄膜的生长为研究对象，针对现有方法进行改进，在现有固液体碳氮源生长氮掺杂石墨烯方法的基础上引入小分子气体碳源完善前驱层的方法，从而使得现有方法中缺陷较多，电学性质较差的氮掺杂石墨烯薄膜质量得到改善，从而得到电学性能优秀，缺陷较少的氮掺杂石墨烯薄膜。更为重要的是，该方法通过碳氮源沉积步骤的工艺控制可实现成膜的氮掺杂含量可控。同时，该方法完全适用于大面积氮掺杂石墨烯薄膜的生长，得到的薄膜均匀性好、电学性能优良。附图说明图1为本专利技术氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法工艺流程图。图2为本专利技术双温区系统示意图，其中，1为反应中碳氮源所在区域，2为反应中基底所在区域。图3为本专利技术所制备氮掺杂石墨烯薄膜的拉曼光谱图。图4为本专利技术所制备氮掺杂石墨烯薄膜的扫描电镜照片。图5为本专利技术所制备氮掺杂石墨烯薄膜的X射线光电子能谱。图6为本专利技术所制备氮掺杂石墨烯与纯石墨烯的X射线光电子能谱的C峰对比图。图7为本专利技术所制备氮掺杂石墨烯的X射线光电子能谱的N峰及其分峰图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露
的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。如图1所示，本专利技术提供一种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，所述氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法至少包括以下步骤：S1，提供一基底，将所述基底置于双温区系统，并在所述双温区系统中放置碳氮源，加热以在所述基底表面沉积形成氮掺杂石墨烯的前驱层；S2，通入气体碳源，高温条件下碳沉积反应形成氮掺杂石墨烯薄膜。下面结合具体附图对本专利技术的氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法做详细的介绍。首先执行步骤S1，提供一基底，将所述基底置于双温区系统，并在所述双温区系统中放置碳氮源，加热以在所述基底表面沉积形成氮掺杂石墨烯的前驱层。所述基底材料为Au、Co、Pt、Pd、Ir、Ru、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一基底，将所述基底置于双温区系统，并在所述双温区系统中放置碳氮源，加热以在所述基底表面沉积形成氮掺杂石墨烯的前驱层；2)通入气体碳源，高温条件下碳沉积反应形成氮掺杂石墨烯薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一基底，将所述基底置于双温区系统，并在所述双温区系统中放置碳氮源，加热以在所述基底表面沉积形成氮掺杂石墨烯的前驱层；2)通入气体碳源，高温条件下碳沉积反应形成氮掺杂石墨烯薄膜。2.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，放置碳氮源之前，还包括在保护气氛下将基底进行退火处理的步骤。3.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中采用化学气相沉积工艺形成氮掺杂石墨烯的前驱层，包括步骤：1-1)将所述碳氮源与基底放置在双温区系统的不同区域，并分别加热，同时通过载气将碳氮源蒸汽引入基底所在区域，进行沉积；1-2)停止加热，冷却至室温，取出表面沉积有氮掺杂石墨烯前驱层的基底。4.根据权利要求3所述的氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1-1)中碳氮源的加热温度范围为50～200℃。5.根据权利要求3所述的氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1-1)中基底的加热温度范围为250～600℃。6.根据权利要求3所述的氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1-1)中载气为氢气或氢气和氩气的混合气体。7.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中沉积时间为10min～80min。8.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：方小红，蔡伟，王聪，陈小源，杨立友，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31