石墨烯纳米窄带的制备方法

摘要

本发明涉及一种石墨烯纳米窄带的制备方法，包括以下步骤：提供一基底，该基底的温度可通过一加热装置调节；设置一石墨烯膜于该基底的上表面，间隔设置两个相互平行的条形电极于该石墨烯膜远离基底的表面，且与该石墨烯膜电绝缘；提供一碳纳米管拉膜结构，覆盖于该石墨烯膜远离基底的表面，该碳纳米管拉膜结构与所述两个条形电极电接触；通过所述两个条形电极给碳纳米管拉膜结构通电，碳纳米管拉膜结构产生热量，再配合基底温度的调节，烧掉部分石墨烯膜，在基底形成多个定向排列的石墨烯纳米窄带；以及利用超声处理的方法，将碳纳米管拉膜结构与获得的石墨烯纳米窄带分离。

权利要求

1.一种石墨烯纳米窄带的制备方法，包括以下步骤：

提供一基底以及一加热装置，该基底与该加热装置接触，该加热装置用于调节该基底的温度；

设置一石墨烯膜于该基底的上表面，间隔设置两个相互平行的条形电极于该石墨烯膜远离基底的表面，且与该石墨烯膜电绝缘；

提供一碳纳米管拉膜结构，覆盖于该石墨烯膜远离基底的表面，该碳纳米管拉膜结构与所述两个条形电极电接触；

通过所述两个条形电极给该碳纳米管拉膜结构通电，该碳纳米管拉膜结构产生热量，再配合所述基底温度的调节，烧掉部分所述石墨烯膜，在所述基底形成多个定向排列的石墨烯纳米窄带；以及利用超声处理的方法，将所述碳纳米管拉膜结构与获得的石墨烯纳米窄带分离。

2.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述基底的材料为硅、二氧化硅、碳化硅、石英和玻璃中的一种。

3.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述石墨烯膜由单层石墨烯或多层石墨烯组成，其厚度为0.5纳米至10纳米。

4.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管拉膜结构由一碳纳米管拉膜组成。

5.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管拉膜结构由多层碳纳米管拉膜重叠设置而成。

6.如权利要求4或5所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管拉膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束，以及多个分布于所述碳纳米管束之间且与所述定向排列的方向平行的带状间隙。

7.如权利要求6所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管束的宽度为5纳米至500微米。

8.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管拉膜结构的宽度为1厘米至10厘米，厚度为10纳米至100微米。

9.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述基底的温度小于等于600摄氏度。

10.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述通过所述两个条形电极给该碳纳米管拉膜结构通电的过程中，所施加的工作电压为1伏～20伏。

11.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述通过所述两个条形电极给该碳纳米管拉膜结构通电的过程中，通电时间为3秒～5分钟。

12.如权利要求1所述的石墨烯纳米窄带的制备方法，其特征在于，所述通过所述两个条形电极给该碳纳米管拉膜结构通电的过程中，所述碳纳米管拉膜结构的温度为100摄氏度～600摄氏度。

说明书

石墨烯纳米窄带的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种石墨烯纳米窄带的制备方法，尤其涉及一种定向排列的石墨烯纳米窄带的制备方法。

背景技术

[0002] 石墨烯具有稳定的二维晶格结构和优异的电学性能，近年来迅速成为碳材料家族中的“明星分子”。由于具备和传统硅半导体工艺的兼容性且不存在碳纳米管所面临的选择性生长等问题，石墨烯在微纳电子器件领域展现出广阔的应用前景，有望成为构筑下一代电子器件的核心材料。

[0003] 石墨烯片层的形状决定了其能带结构，能带结构又决定其电学性质，电学性质又进而决定其应用潜力。目前，基于石墨烯的电子器件实用化所面临的一大挑战是将其图形化为具备不同电学性质的微纳结构，为下一步的电路集成奠定基础。在这种情况下，发展一种可以有效制备石墨烯纳米窄带的方法至关重要。

[0004] 目前，制备石墨烯纳米窄带的方法主要包括：1)利用激光烧蚀或强氧化剂刻蚀的方法纵向剖开碳纳米管壁，以得到单层或多层石墨烯纳米窄带。该方法的效率较低，可控性较差，获得的石墨烯纳米窄带不平整。2)采用传统的光刻和氧刻蚀方法切割石墨烯。该方法对基底的要求高，并且涉及了各种溶剂的使用，不利于表面器件的制备及集成，另外，纳米级掩膜的制备也较为困难，成本较高。3)采用催化粒子原位反应切割石墨烯。该方法效率较低，并且涉及了溶液及高温反应，且制备过程具备不可控性。4)利用扫描隧道显微镜(STM)针尖电流切割石墨烯。该方法效率低，由于是在高纯石墨上实现切割，因而与现行的半导体工艺不兼容。5)利用图形化的二氧化钛薄膜的光催化反应氧化分解石墨烯片层，得到特定图案的石墨烯条带。该方法制备纳米级别的图形化二氧化钛薄膜较为困难，需要另外的掩膜，因此整个制备过程较为复杂，且所需光催化反应的时间较长。6)利用图形化排布的催化剂颗粒，利用化学气相沉积法直接生长石墨烯条带。该方法中对催化剂颗粒进行图形化排布较为困难，不易控制其尺寸和形状，因此获得的石墨烯条带的尺寸也较难控制。

发明内容

[0005] 有鉴于此，确有必要提供一种石墨烯纳米窄带的制备方法，该方法可调整与控制石墨烯纳米窄带的尺寸，且方法简单，易于操作，效率较高。

[0006] 一种石墨烯纳米窄带的制备方法，包括以下步骤：提供一基底，该基底的温度可通过一加热装置调节；设置一石墨烯膜于该基底的上表面，间隔设置两个相互平行的条形电极于该石墨烯膜远离基底的表面，且与该石墨烯膜电绝缘；提供一碳纳米管拉膜结构，覆盖于该石墨烯膜远离基底的表面，该碳纳米管拉膜结构与所述两个条形电极电接触；通过所述两个条形电极给碳纳米管拉膜结构通电，碳纳米管拉膜结构产生热量，再配合基底温度的调节，烧掉部分石墨烯膜，在基底形成多个定向排列的石墨烯纳米窄带；以及利用超声处理的方法，将碳纳米管拉膜结构与获得的石墨烯纳米窄带分离。

[0007] 与现有技术相比，本发明提供的石墨烯纳米窄带的制备方法，利用碳纳米管拉膜结构作为图形化的焦耳热热源，由于该碳纳米管拉膜结构包括多个定向排列的带状间隙和碳纳米管束，且该定向排列的带状间隙和碳纳米管束的宽度均可以通过调整该碳纳米管拉膜结构中碳纳米管拉膜的层数以及通过有机溶剂处理该碳纳米管拉膜或者利用激光扫描该碳纳米管拉膜等方法来调整，因此，本发明的制备方法获得的石墨烯纳米窄带尺寸易于控制，从而克服了普通的光刻胶掩膜在成型后不能随意改变其图案和尺寸的缺陷。并且，利用本发明的制备方法获得石墨烯纳米窄带具有定向排列的特点，可直接应用于一些半导体器件和传感器中。另外，利用碳纳米管拉膜结构作为图形化的焦耳热热源，相比于其它纳米级掩膜的制备来说，碳纳米管拉膜结构的制备更为简便，且特别适合于连续化、规模化生产。因此，利用本发明方法制备石墨烯纳米窄带，具有工艺简单、效率高、可规模化生产的优点。

附图说明

[0008] 图1为本发明实施例的石墨烯纳米窄带的制备方法的流程图。

[0009] 图2为本发明实施例的石墨烯纳米窄带的制备方法的工艺流程示意图。

[0010] 图3为本发明实施例的石墨烯纳米窄带的制备方法中使用的碳纳米管拉膜结构的示意图。

[0011] 图4为本发明实施例的石墨烯纳米窄带的制备方法中使用的碳纳米管拉膜结构的扫描电镜照片。

[0012] 图5为本发明实施例的制备方法获得的石墨烯纳米窄带的结构示意图。

[0013] 图6为本发明实施例的制备方法获得的石墨烯纳米窄带的另一结构示意图。

[0014] 主要元件符号说明

[0015]石墨烯纳米窄带 10
基底 20
石墨烯膜 30
碳纳米管拉膜结构 40
碳纳米管拉膜 410
碳纳米管束 411
带状间隙 412
条形电极 50
加热装置 60

[0016] 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

[0017] 下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的石墨烯纳米窄带的制备方法作进一步的详细说明。

[0018] 请一并参阅图1及图2，本发明实施例提供一种石墨烯纳米窄带10的制备方法，该方法包括以下步骤：

[0019] S1：提供一基底20，该基底20与一加热装置60接触，该加热装置60用于调节该基底20的温度；

[0020] S2：设置一石墨烯膜30于该基底20的上表面，间隔设置两个相互平行的条形电极50于该石墨烯膜30远离基底20的表面，且与该石墨烯膜30电绝缘；

[0021] S3：提供一碳纳米管拉膜结构40，将该碳纳米管拉膜结构40覆盖于上述石墨烯膜30远离基底20的表面，该碳纳米管拉膜结构40与所述两个条形电极50电接触；

[0022] S4：通过所述两个条形电极50给所述碳纳米管拉膜结构40通电，该碳纳米管拉膜结构40产生热量，再配合基底20温度的调节，烧掉部分石墨烯膜30，从而在该基底20形成多个定向排列的石墨烯纳米窄带10；以及

[0023] S5：利用超声处理的方法，将所述碳纳米管拉膜结构40与获得的石墨烯纳米窄带10分离。

[0024] 步骤S1中，所述基底20为一薄片状基底，该基底20的材料可以为硅、二氧化硅、碳化硅、石英或玻璃。该基底20的厚度为10微米至10毫米。该基底20的上表面面积不限，可以根据实际需要进行调整。

[0025] 步骤S1中，所述加热装置60可为基底稳定地提供小于等于600摄氏度的温度。本实施例中，该加热装置60由多个均匀排布在所述基底20下表面的电阻丝构成。

[0026] 步骤S2中，所述石墨烯膜30是从其它基底转移至所述基底20上的。所述石墨烯膜30由单层石墨烯或多层石墨烯组成，其厚度为0.5纳米至10纳米。所述石墨烯膜30的面积可根据制备方法的不同而调整，具体为1平方毫米至100平方厘米。所述石墨烯膜30的制备方法不限，可通过化学气相沉积法合成，也可通过热解SiC法、金属基底外延生长法、有机合成法、还原氧化石墨法或机械剥离法获得。本实施例优选使用化学气相沉积法合成该石墨烯膜30，包括以下具体步骤：

[0027] S21：提供一金属基底，将所述金属基底放入一反应室内，高温处理所述金属基底的上表面；

[0028] S22：向所述反应室内通入碳源气，于所述金属基底的上表面生长石墨烯膜30；以及

[0029] S23：将所述金属基底冷却至室温，取出生长有石墨烯膜30的金属基底。

[0030] 步骤S21中，所述反应室为生长石墨烯膜30的反应空间。该反应室为一密闭空腔，该密闭空腔具有一个进气口以及一个出气口。所述进气口用于通入反应气体，如氢气和甲烷；所述出气口与一抽真空装置相连通。所述抽真空装置通过该出气口控制反应室的真空度以及气压。进一步地，所述反应室还可以包括一个水冷装置，用于控制反应室中的金属基底的温度。本实施例中，所述反应室为一石英管。

[0031] 步骤S21中，对金属基底的上表面进行高温处理，可使得金属基底20的上表面结构更加平整，从而有利于生长石墨烯膜30。所述高温处理所述金属基底的步骤具体为：将所述金属基底放入所述反应室，并通入氢气，氢气的气体流量为2sccm(标准状态毫升/分钟)~35sccm；升高所述反应室的温度，对所述金属基底的上表面高温处理约1小时。所述反应室内的温度控制在800摄氏度至1500摄氏度。该反应室内为真空环境，该反应室内的气-1 2压为10 帕至10 帕。本实施例中，氢气的气体流量为2sccm，反应室内的气压为13.3帕，反应温度为1000摄氏度，升温时间为40分钟，恒温时间为20分钟。所述金属基底经高温处理后，该金属基底的上表面的表面结构更平整，适宜生长石墨烯。在氢气环境中加热，可以还原金属基底表面的氧化层，同时防止进一步氧化。

[0032] 步骤S22中，保持所述反应室中的氢气流量不变，并继续通入的条件下，在高温下通入碳源气体，从而在金属基底的上表面及下表面沉积碳原子，形成一石墨烯膜30。所述氢气与碳源气的通气流量比的范围为2:15~2:45。所述碳源气可以为甲烷、乙烷、乙烯或乙炔等化合物。所述反应室内的温度为800摄氏度至1500摄氏度。该反应室内为真空环境，-1 2该反应室内的气压为10 帕至10 帕。反应时的恒温时间为10分钟到60分钟。本实施例中，反应室内的气压为500mTorr(毫托)，反应温度为1000摄氏度，碳源气为甲烷，碳源气的气体流量为25sccm，恒温时间30分钟。

[0033] 步骤S23中，需要在保持碳源气以及氢气的通入流量不变的情况下，将所述金属基底冷却至室温。本实施例中，在冷却过程中，向反应室内通入流量为25sccm的甲烷，流量为2sccm的氢气，在66.5帕气压下，冷却1小时。待金属基底冷却后，取出金属基底，该金属基底的上表面以及下表面生长有一石墨烯膜30。另外，当所述金属基底的温度低于200摄氏度的情况下，可以仅仅在氢气保护的条件下，冷却该金属基底至室温。

[0034] 可以理解，所述化学气相沉积法生长石墨烯膜30过程中，碳原子在沉积时，金属基底的上表面及下表面均有石墨烯膜30形成。上述方法中，可以进一步包括一个去除下表面的石墨烯膜30的步骤。去除下表面的石墨烯膜30可以采用研磨的方法实现，具体地，可以采用砂纸打磨沉积于所述金属基底的下表面的石墨烯膜30。

[0035] 步骤S2中，所述两个相互平行的条形电极50的材料可以为金属材料或金属性碳纳米管材料。所述金属材料包括铜、铝、银等。本实施例中选用铜作为条形电极50的材料。

[0036] 请一并参阅图3和图4，步骤S2中所述的碳纳米管拉膜结构40由一碳纳米管拉膜410组成或由多层碳纳米管拉膜410重叠设置而成。所述碳纳米管拉膜410包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束411，所述碳纳米管拉膜410还包括多个分布于所述碳纳米管束411之间的与所述定向排列的方向平行的带状间隙412。当所述碳纳米管拉膜结构40由多层碳纳米管拉膜410重叠设置而成时，该多个碳纳米管拉膜410中的碳纳米管束411沿同一方向定向排列。由于所述碳纳米管拉膜结构40由一碳纳米管拉膜410组成或由多层碳纳米管拉膜410重叠设置而成，所以，所述碳纳米管拉膜结构40也包括多个定向排列的碳纳米管束411以及多个分布于所述碳纳米管束411之间且定向排列的带状间隙412。

[0037] 步骤S3中，所述碳纳米管拉膜结构40的制备方法包括以下具体步骤：

[0038] S31：提供一碳纳米管阵列，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列；

[0039] S32：采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得一第一碳纳米管拉膜；

[0040] S33：提供一固定框架，将上述第一碳纳米管拉膜沿第一方向粘附于固定框架，并去除固定框架外的多余的碳纳米管拉膜；

[0041] S34：按照与步骤S32相同的方法获得一第二碳纳米管拉膜，将该第二碳纳米管拉膜沿所述第一方向粘附于上述固定框架，并覆盖上述第一碳纳米管拉膜形成一两层的碳纳米管拉膜结构。类似地，可将一具有与上述碳纳米管拉膜相同结构的第三碳纳米管拉膜或更多层的碳纳米管拉膜依次覆盖于上述第二碳纳米管拉膜，进而形成多层的碳纳米管拉膜结构40。

[0042] 步骤S31中，超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：（a）提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；（b）在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底在700摄氏度~900摄氏度的空气中退火约30分钟~90分钟；（d）将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500摄氏度~740摄氏度，然后通入碳源气体反应约5分钟~30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200微米~400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。
本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。

[0043] 步骤S32中，具体包括以下步骤：（a）从碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管片断，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管片断；（b）以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管片断，以形成一连续的第一碳纳米管拉膜。在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片断在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片断分别与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管拉膜。该碳纳米管拉膜为定向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管拉膜。该碳纳米管拉膜中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管拉膜的拉伸方向。

[0044] 步骤S33中，该固定框架为一方形的金属框架，用于固定碳纳米管拉膜，其材质不限。该固定框架的大小可依据实际需求确定，当固定框架的宽度大于上述第一碳纳米管拉膜的宽度时，可将多个上述第一碳纳米管拉膜并排覆盖并粘附在固定框架上。

[0045] 本实施例中，通过上述方法制备获得的碳纳米管拉膜结构40的宽度可为1厘米~10厘米，所述碳纳米管拉膜结构40的厚度可为10纳米~100微米。

[0046] 所述碳纳米管拉膜结构40中的碳纳米管束411的宽度和带状间隙412的宽度可以调节，如通过对该碳纳米管拉膜结构40的表面进行激光扫描处理，可以烧蚀掉该碳纳米管拉膜结构40中直径较大的部分碳纳米管，从而可以增大带状间隙412的宽度，减小碳纳米管束411的宽度。又如可以通过使用挥发性有机溶剂如乙醇、丙酮等处理该碳纳米管拉膜结构40的方式，将该碳纳米管拉膜结构40中的部分碳纳米管收缩聚集，从而同时增大带状间隙412和碳纳米管束411的宽度。而且，有机溶剂处理后的碳纳米管膜结构40的粘性变小，从而在后续步骤中可以很容易的去除。另外，还可以通过增加该碳纳米管拉膜结构40中碳纳米管拉膜410的层数的方式来减小带状间隙412的宽度，增大碳纳米管束411的宽度。具体地，该碳纳米管拉膜结构40中的带状间隙412的宽度调节范围可在5纳米~500微米。

[0047] 因此，本发明利用碳纳米管拉膜结构40作为图形化的焦耳热热源，可以根据实际需要随时调整其带状间隙412的尺寸，且其可调节的尺寸范围较大，也就是说，本发明用碳纳米管拉膜结构40作为图形化的焦耳热热源，具有成型图案和尺寸灵活可调的优点，从而克服了普通的光刻胶掩膜在成型后不能随意改变其图案和尺寸的缺陷。另外，碳纳米管膜结构40可以直接通过将碳纳米管拉膜410铺设于石墨烯生长基底的方式获得，且该碳纳米管膜结构40具有自支撑特性，从而可以很容易地整体移动，调整与金属基底20的接触。最后，本发明的碳纳米管拉膜结构40具有制备方法简单、制备成本低以及制造效率高等优点。

[0048] 步骤S4中，所述通过所述两个条形电极50给所述碳纳米管拉膜结构40通电时，保持其工作电压为恒压状态。所述工作电压为1伏~20伏。所述通电时间为3秒~5分钟。优选地，本实施例中选择工作电压为4.5伏，通电时间为30秒。由于碳纳米管具有很高的电热转换效率，在工作电压为1伏~20伏时，该碳纳米管拉膜结构40的温度可达到100摄氏度~600摄氏度。通电时，位于所述碳纳米管拉膜结构40的碳纳米管束411正下方的部分石墨烯膜30，在收到所述碳纳米管束411传导的热量的同时收到基底20传导的热量，因此，该部分石墨烯膜30的温度会高于位于所述碳纳米管拉膜结构40的带状间隙412正下方的部分石墨烯膜30的温度以及碳纳米管束411的温度，其温度最高可达到将近1200摄氏度（基底20的600摄氏度与碳纳米管拉膜结构40的600摄氏度相叠加）。因此，位于所述碳纳米管束411正下方的部分石墨烯膜30会被烧蚀掉，最终在基底20的上表面保留下位于带状间隙412正下方的石墨烯膜30，该部分石墨烯膜30构成了多个定向排列的石墨烯纳米窄带10。

[0049] 步骤S5中，所述超声处理的时间为3分钟~30分钟，本实施例中优选为10分钟。

[0050] 进一步地，在步骤S5之后，还可以对获得的石墨烯纳米窄带10进行自然风干或烘干处理，以便后续应用。请一并参阅图5和图6，图5和图6分别为利用本发明制备方法获得的两种定向排列的石墨烯纳米窄带的结构示意图。

[0051] 相较于现有技术，本发明提供的石墨烯纳米窄带的制备方法，利用碳纳米管拉膜结构作为图形化的焦耳热热源，由于该碳纳米管拉膜结构包括多个定向排列的带状间隙和碳纳米管束，且该定向排列的带状间隙和碳纳米管束的宽度均可以通过调整该碳纳米管拉膜结构中碳纳米管拉膜的层数以及通过有机溶剂处理该碳纳米管拉膜或者利用激光扫描该碳纳米管拉膜等方法来调整，因此，本发明的制备方法获得的石墨烯纳米窄带尺寸易于控制，从而克服了普通的光刻胶掩膜在成型后不能随意改变其图案和尺寸的缺陷。并且，利用本发明的制备方法获得石墨烯纳米窄带具有定向排列的特点，可直接应用于一些半导体器件和传感器中。另外，利用碳纳米管拉膜结构作为图形化的焦耳热热源，相比于其它纳米级掩膜的制备来说，碳纳米管拉膜结构的制备更为简便，且特别适合于连续化、规模化生产。因此，利用本发明方法制备石墨烯纳米窄带，具有工艺简单、效率高、可规模化生产的优点。

[0052] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。