CN101845189B - 具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的合成方法，先制备得到功能化的氧化石墨，再将聚乙烯基咔唑与功能化的氧化石墨在有机溶剂中共混分散，最后采用不同的还原剂还原得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料。本发明的具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的显著特点是：1)在制备方法上，通过将氧化石墨功能化，使其能与聚乙烯基咔唑均匀分散在有机溶剂中，实验条件简单，容易操作，2)在导电高分子聚乙烯基咔唑中，引入性能优异的石墨烯作为电子受体，使得复合材料的载流子传输性能得到提高，在光电信息材料领域有较好的应用前景和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的合成方法。
背景技术
对于聚合物基复合材料的应用，除了作为传统的力学热学增强材料以外，聚合物基复合材料的功能化与器件化也是国际上的前沿研究领域。高新技术的发展离不开高速、高密度的光电材料和器件。传统的无机半导体材料，如硅、锗和砷化镓，在其中仍扮演着重要的角色。但有机聚合物导电材料与发光材料以其易剪裁、易加工(无论是分子尺度或聚集体尺度)等方面的优势与无机材料在光电领域互相竞争，越来越受到大家重视。目前利用新型有机高分子材料制造的发光二极管已用于平板显示器的大规模生产，光伏电池和场效应晶体管的研究也取得显著的成果等。
某些导电聚合物材料在外加电场下可以改变载流子(电子或空穴)的状态，因而能存储信息。如果使用这些导电聚合物材料制作器件，就有可能在器件上写入或读出存储的信息，这些材料就是存储材料。因此它可望用来制作高集成度的电子元件，如超高速开关元件及超高密度存储器等。一般而言，存储效应是与在导电聚合物层活性基团内的电荷存储(包括电荷俘获、电荷分离或电荷传递等)相关。但是由于聚合物自身的特点，电荷传递不是很理想，其较低的载流子迁移率成为制约其发展的主要障碍。
石墨是一种二维纳米材料，具有优良的电子转移能力。本世纪初发现了一类由一层碳原子组成的新型二维纳米碳材料——石墨烯，它是以天然石墨为原料，通过化学方法实现石墨烯的大批量生产，价格便宜。经过功能化后的单层石墨在水或有机溶剂中具有良好的溶解性，有利于其均匀分散及成型加工；而且采用化学还原或焙烧，可以消除氧化石墨的官能团或缺陷，恢复石墨烯的结构与高性能。综合性能优异的二维纳米结构的石墨烯有望在应用在电子、机械、航空航天与医学等领域。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对上述现有技术提出一种具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的制备方法，基于该复合材料的存储器件具有较低的开启电压、较高的开关电流比和良好的稳定性能，其合成工艺成本低、实验条件温和、操作简单。
本发明为解决上述提出的问题所采用的解决方案为：具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的合成方法，其特征在于包括有以下步骤：
1)将天然石墨通过化学氧化方法制得单层或多层氧化石墨；
2)将步骤1)得到的氧化石墨与异氰酸苯酯在N，N-二甲基甲酰胺中反应12-48小时，反应温度为60-90℃，再进行抽滤、洗涤和干燥后，得到功能化的氧化石墨，其中氧化石墨与异氰酸苯酯用量之比为50mg∶1-5mmol；
3)将步骤2)得到的功能化的氧化石墨与聚乙烯基咔唑在有机溶剂中超声0.5-2小时，向其中加入还原剂，在60-100℃反应24-48小时，倒入甲醇中沉淀，过滤，真空烘干得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料，其中功能化的氧化石墨与聚乙烯基咔唑用量之比为50mg∶2-10mg，功能化的氧化石墨与还原剂用量之比为50mg∶2-6mg。
按上述方案，所述的还原剂为水合肼、肼或二甲肼。
按上述方案，所述的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、氯仿或四氢呋喃。
本发明的反应机理是先制备得到功能化的氧化石墨，再将聚乙烯基咔唑与功能化的氧化石墨在有机溶剂中共混分散，最后采用不同的还原剂还原得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料。
本发明的具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的显著特点是：
1)在制备方法上，通过将氧化石墨功能化，使其能与聚乙烯基咔唑均匀分散在有机溶剂中，实验条件简单，容易操作，2)在导电高分子聚乙烯基咔唑中，引入性能优异的石墨烯作为电子受体，使得复合材料的载流子传输性能得到提高，在光电信息材料领域有较好的应用前景和经济效益。
基于聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的存储器件的性能测试实验：取2mg复合材料分散于20ml N，N-二甲基甲酰胺中，旋转涂膜于导电ITO玻璃上。然后在此ITO玻璃上蒸镀金属铝作为存储器件的上电极。测定器件的开启电压和开关电流比。结果表明该器件具有较低的开启电压和较高的开关电流比和良好的稳定性能。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
1)按照文献报道的方法制备氧化石墨(Composites Science and Technology，2009，69，1231)；
2)将50mg氧化石墨与2mmol异氰酸苯酯在N，N-二甲基甲酰胺中80℃反应24小时，抽滤、洗涤、干燥后，得功能化的氧化石墨；
3)将步骤2)得到的功能化的氧化石墨50mg与2mg聚乙烯基咔唑在N，N-二甲基甲酰胺中超声1小时，向其中加入3mg水合肼，在80℃反应24小时，倒入甲醇中沉淀，过滤，真空烘干得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料。
实施例2：
1)同实施例1中的步骤1；
2)同实施例1中的步骤2；
3)将步骤2)得到的功能化的氧化石墨50mg与8mg聚乙烯基咔唑在氯仿中超声2小时，向其中加入2mg肼，在70℃反应48小时，倒入甲醇中沉淀，过滤，真空烘干得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料。
实施例3：
1)同实施例1中的步骤1；
2)将50mg氧化石墨与5mmol异氰酸苯酯在N，N-二甲基甲酰胺中70℃反应36小时，抽滤、洗涤、干燥后，得功能化的氧化石墨；
3)同实施例1中的步骤3。
实施例4：
1)同实施例1中的步骤1；
2)同实施例1中的步骤2；
3)将步骤2)得到的功能化的氧化石墨50mg与10mg聚乙烯基咔唑在N，N-二甲基甲酰胺中超声1小时，向其中加入3mg二甲肼，在90℃反应24小时，倒入甲醇中沉淀，过滤，真空烘干得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料。
实施例5：
1)同实施例1中的步骤1；
2)同实施例1中的步骤2；
3)将步骤2)得到的功能化的氧化石墨50mg与6mg聚乙烯基咔唑在N，N-二甲基甲酰胺中超声1.5小时，向其中加入4mg二甲肼，在80℃反应24小时，倒入甲醇中沉淀，过滤，真空烘干得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料。
实施例6：
1)同实施例1中的步骤1；
2)将50mg氧化石墨与1mmol异氰酸苯酯在N，N-二甲基甲酰胺中90℃反应48小时，抽滤、洗涤、干燥后，得功能化的氧化石墨；
3)同实施例1中的步骤3。
实施例7：
1)同实施例1中的步骤1；
2)同实施例1中的步骤2；
3)将步骤2)得到的功能化的氧化石墨50mg与4mg聚乙烯基咔唑在四氢呋喃中超声2小时，向其中加入6mg二甲肼，在60℃反应48小时，倒入甲醇中沉淀，过滤，真空烘干得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料。
实施例8：
1)同实施例1中的步骤1；
2)同实施例1中的步骤2；
3)将步骤2)得到的功能化的氧化石墨50mg与8mg聚乙烯基咔唑在N，N-二甲基甲酰胺中超声2小时，向其中加入4mg肼，在90℃反应36小时，倒入甲醇中沉淀，过滤，真空烘干得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料。
取实施例1制得的具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料，制备存储器件并进行性能测试实验：取2mg复合材料溶于20ml N，N-二甲基甲酰胺中，旋转涂膜于导电ITO玻璃上，然后在此ITO玻璃上蒸镀金属铝作为存储器件的上电极。测定器件的开启电压为1.2V和开关电流比106。结果表明该器件具有较低的开启电压，较高的开关电流比和良好的稳定性能。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明；在此不一一列举实施例。本发明的工艺参数(如温度、时间等)的上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
Claims (2)
1.具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的合成方法，其特征在于包括有以下步骤：
1)将天然石墨通过化学氧化方法制得单层或多层氧化石墨；
2)将步骤1)得到的氧化石墨与异氰酸苯酯在N，N-二甲基甲酰胺中反应12-48小时，反应温度为60-90℃，再进行抽滤、洗涤和干燥后，得到功能化的氧化石墨，其中氧化石墨与异氰酸苯酯用量之比为50mg∶1-5mmol；
3)将步骤2)得到的功能化的氧化石墨与聚乙烯基咔唑在有机溶剂中超声0.5-2小时，向其中加入还原剂，所述的还原剂为水合肼、肼或二甲肼，在60-100℃反应24-48小时，倒入甲醇中沉淀，过滤，真空烘干得到聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料，其中功能化的氧化石墨与聚乙烯基咔唑用量之比为50mg∶2-10mg，功能化的氧化石墨与还原剂用量之比为50mg∶2-6mg。
2.按权利要求1所述的具有存储效应的聚乙烯基咔唑/石墨烯复合材料的合成方法，其特征在于所述的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、氯仿或四氢呋喃。
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