基于等離子體化學增強氣相沉積直接合成大面積氧化石墨烯的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料科學技術領域，具體涉及一種基于等離子體化學增強氣相沉積直接合成大面積氧化石墨稀的方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種用具有極佳電學、力學、熱學性能的材料，被認為是未來微電子行業的的基礎材料。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，通過在石墨烯晶格碳上枝接氧原子、羥基、羧基、羰基等含氧集團來構造。與石墨烯相比，氧化石墨烯由于含有極性的含氧基團，對于分子的吸附更好，因此可用作氣體或液體傳感器。另外，由于極性基團的作用，微小尺寸的氧化石墨烯在溶液中會自發形成有序的層狀結構，可用于溶液的過濾。除此之外，將不同程度氧化的氧化石墨烯接觸，接觸面上會形成異質結，可用來制作各類光電器件。
[0003]目如，氧化石墨稀應用過程中最為關鍵的環節是氧化石墨稀材料的制備。現在應用最為廣泛的制備氧化石墨稀的方法是改良Hummer法(Modified Hummer’s Method,出自:Daniela C.Marcano et al, Improved Synthesis of Graphene Oxide, ACS NanoVol.4 N0.8 pp.4806-4814，2010)。這種方法的基本原理是利用強氧化劑將石墨氧化為氧化石墨烯。但這種方法所需的反應時間長，而且所得到的氧化石墨烯是僅為微米尺度的小片。這對于氧化石墨烯的應用是非常不利的。
[0004]Chung等人發明了一種獲得較大面積氧化石墨烯的方法。他們首先用CVD法制備石墨烯，然后再將所制備的石墨烯轉移到所需襯底上，最后用臭氧等離子體對石墨烯進行氧化處理來獲得氧化石墨稀(出自:Min Gyun Chung et al, Highly sensitive NO2gas sensor based on ozone treated graphene, Sensors and Actuators B 166 - 167(2012) 172 - 176)。這種方法克服了改良Hrnnmer法中所制備氧化石墨稀尺寸過小的缺點，但其缺點也非常明顯:氧化石墨烯的合成需分2步進行，反應時間長；而且在利用臭氧等離子體對石墨烯進行處理的時候，一旦條件控制不好，石墨烯局部會被刻蝕掉，形成空洞，破壞了氧化石墨烯薄膜的完整性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種反應時間短，反應溫度低，且氧化石墨烯的含氧量可控的直接合成大面積氧化石墨烯的方法。這對于今后氧化石墨烯的應用具有十分重要的意義。
[0006]本發明提供的直接合成大面積氧化石墨烯的方法，是基于等離子體化學增強氣相沉積法的，具體步驟如下:
步驟1.1:對襯底進行預處理；
步驟1.2:在襯底上生長氧化石墨稀；
步驟1.3:生長結束后將氧化石墨烯取出。
[0007]進一步的，步驟1.1中所述的襯底材料為具有催化特性的金屬或某些非金屬。所述具有催化特性的金屬主要有:銅、鎳、鉑、金等；所述非金屬主要有:硅、碳、鍺等。
[0008]進一步的，步驟1.1中所述的對襯底進行預處理主要包括以下流程:超聲清洗、化學拋光、沖洗、烘干；其中，所述超聲清洗所使用的溶劑包括丙酮、異丙醇、去離子水等；所述化學拋光所采用的拋光液可為過硫酸銨溶液等；所述沖洗所采用的沖洗劑為去離子水；所述烘干過程的溫度為50°C -70°C。
[0009]進一步的，步驟1.2中所述的生長氧化石墨烯的過程主要包括如下步驟:
步驟1.2.1:將襯底載入等離子體增強化學氣相沉積系統；
步驟1.2.2:預處理；
步驟1.2.3:氧化石墨稀生長。
[0010]進一步的，步驟1.2.1中所述的等離子體增強化學氣相沉積系統主要包括供氣系統、真空系統、爐腔、加熱系統和放電系統。所述供氣系統的主要功能是向爐腔中供氣，所供氣體包括碳源氣體、還原氣體、載流氣體。所述真空系統的主要功能是將爐腔抽真空，并控制爐腔內的氣壓。所述爐腔為氧化石墨烯合成的場所。所述加熱系統的主要功能是控制爐腔的溫度。所述放電系統的主要功能是將供氣系統提供的氣體激發和電離，產生合成氧化石墨烯所需的各類粒子。
[0011]進一步的，所述的碳源氣體可以是甲烷、乙炔等含碳的有機物；所述的還原氣體為氫氣；所述的載流氣體為氬氣。
[0012]進一步的，步驟1.2.2中所述的預處理過程包括:開啟真空系統將爐腔抽真空、開啟加熱系統將爐腔加熱到所需溫度、開啟還原氣體并持續一段時間。所述預處理過程的主要目的是在一定溫度下利用還原氣體將襯底上的氧化物還原。所述溫度視襯底材料而定。
[0013]進一步的，步驟1.2.3中所述的氧化石墨烯生長過程主要包括:利用加熱系統將爐腔溫度控制在反應溫度；然后在爐腔中通入按一定比例混合的碳源氣體、還原氣體、載流氣體；開啟放電系統并持續一段反應時間；關閉碳源氣體和放電。所述反應溫度為100C -700°C ;所述放電系統所產生的等離子體的功率為10-100W ;引入氧化石墨烯合成所需的含氧基團的方法有3種:(I)通過所述碳源氣體、還原氣體、載流氣體中的殘余氧氣或水蒸氣引入，即所述碳源氣體、還原氣體、載流氣體中至少一種氣體的純度低于99.9% ; (2)通過爐腔內壁吸附的水蒸氣引入，即氧化石墨烯合成反應時因爐腔內壁吸附水蒸氣所造成的反應空間內的水蒸氣含量大于10ppm ; (3)綜合(I)和(2)的方法；所述碳源氣體、還原氣體、載流氣體的混合比例為1: (20-100): (100-200);所生成的氧化石墨烯中碳元素與氧元素的比例可通過調節所述還原氣體的混合比例來改變，或通過調節反應溫度來改變。所述反應時間為1-20分鐘。
[0014]本發明方法的關鍵之處在于氧原子的引入與控制；本發明方法反應時間短，反應溫度低，且氧化石墨烯的含氧量可控。與現有的化學法合成的氧化石墨烯相比，本方法合成的氧化石墨烯具有尺寸大，均勻性好的特點，可用在氣體探測、光電器件等領域。
【附圖說明】
[0015]圖1等離子體增強化學氣相沉積系統示意圖。
[0016]圖2爐腔溫度-時間變化示意圖。
[0017]圖3所合成氧化石墨烯的喇曼光譜圖。
[0018]圖中標號:101為爐腔，102為放電系統，103為供氣系統，104