CN103964417B - 一种含锗元素的掺杂石墨烯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于化学合成技术领域，提供了一种掺杂石墨烯的制备方法，采用化学气相沉积法制备含锗元素的掺杂石墨烯，所述方法包括以下步骤：将催化基底放入真空的反应器中，然后向所述反应器中通入含有碳元素和锗元素的物质，制得含有锗元素的掺杂石墨烯。使用含锗元素的化合物作为掺杂剂所获得的掺杂石墨烯，对于石墨烯的六角结构没有破坏，且掺杂后获得的含锗元素的掺杂石墨烯的载流子浓度高，迁移率高。

Description

一种含锗元素的掺杂石墨烯的制备方法

技术领域

本发明属于化学合成技术领域，涉及一种含锗元素的掺杂石墨烯的制备方法。

背景技术

作为单层碳原子紧密堆积而成的二维晶体材料，石墨烯具有极高的载流子迁移率、高透光性、高强度等众多优异的物理化学性质，在电子、能源，生物和化学等领域有着重要的潜在应用。目前制备高质量石墨烯的方法主要有胶带剥离法、碳化硅或金属表面外延生长法和化学气相沉积法，然而制备出的单层石墨烯为零带隙半导体，能否有效调控其电学特性决定着这种新材料在微电子等领域的应用前途。

掺杂被认为是调控石墨烯电学性质的有效手段之一，但石墨烯完整的二维蜂窝状结构给其掺杂带来很大困难。常见的掺杂方式主要包括物理掺杂(金属表面掺杂)，以及化学掺杂。其中，金属表面掺杂多采用金属纳米粒子，蒸镀在石墨烯表面，接触石墨烯的金属纳米颗粒与石墨烯发生电荷交换从而实现对石墨烯载流子浓度的调控。化学掺杂则多是在石墨烯的制备过程中，掺杂氮原子等替换石墨烯的碳原子，而实现替位掺杂，形成电荷转移。

目前的掺杂方法中存在不足，其中金属表面掺杂方法中金属表面不稳定，而且对石墨烯载流子的调控能力较弱。而目前使用的氮原子的化学掺杂，对于石墨烯的表面结构破坏厉害，尽管载流子浓度有所提高，迁移率却大大下降。

发明内容

本发明实施例的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种含锗元素的掺杂石墨烯的制备方法。

本发明实施例是这样实现的，一种含锗元素的掺杂石墨烯的制备方法，采用化学气相沉积法制备含元素的掺杂石墨烯，所述方法包括以下步骤：将催化基底放入真空的反应器中，然后向所述反应器中通入含有碳元素和锗烷的化合物，制得含有锗元素的掺杂石墨烯。

在优选的实施例中，所述方法还包括电抛光处理催化基底表面。

在优选的实施例中，所述催化基底为铜片，所述电抛光处理催化基底步骤包括：配置电抛光溶液；将作为阳极的目标铜片与作为阴极的铜片置入电抛光溶液中，通电且保持电压稳定在1.5～6伏特1分钟；将目标铜片从电抛光溶液中取出，用去离子水清洗干净，再用无水乙醇冲洗，最后氮气吹干。

在优选的实施例中，所述电抛光溶液为去离子水，磷酸，乙醇，异丙醇，尿素配置而成的混合溶液。

在优选的实施例中，所述作为阴极的铜片厚度为6～200μm。

在优选的实施例中，所述向所述反应器中通入含有碳元素和锗烷的化合物，得到含有锗元素的掺杂石墨烯包括步骤：通入含碳元素的化合物，使得含碳元素的化合物在铜表面裂解并生长石墨烯；改变含碳元素的化合物流量，同时通入含锗烷的化合物，制得含锗元素的掺杂石墨烯。

在优选的实施例中，所述含碳元素的化合物为甲烷、所述步骤：通入含碳元素的化合物，使得含碳元素的化合物在铜表面裂解并生长石墨烯；改变含碳元素的化合物流量，同时通入含锗烷的化合物，制得含锗元素的掺杂石墨烯为通入1sccm甲烷30秒，使得碳源在催化基底表面裂解并生长石墨烯，改变甲烷流量至3sccm，同时通入0.1～0.5sccm锗烷，保持在1000度10分钟，制得含锗元素的掺杂石墨烯。

在优选的实施例中，所述含有碳元素的化合物为一氧化碳、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷中的任一种。

在优选的实施例中，所述反应器为真空管式炉。

在本发明的实施例中，有如下的技术效果：使用含锗烷化合物作为掺杂剂所获得的掺杂石墨烯，对于石墨烯的六角结构没有破坏，且掺杂后获得的含锗元素的掺杂石墨烯的载流子浓度高，迁移率高。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种含锗元素的掺杂石墨烯的制备方法，采用化学气相沉积法制备含锗元素的掺杂石墨烯，所述方法包括如下步骤：将催化基底放入真空的反应器中，然后向所述反应器中通入含有碳元素和锗烷的化合物，制得含有锗烷的掺杂石墨烯。

在制备之前，还具有电抛光处理催化基底表面的步骤。

所述向所述反应器中通入含有碳元素和锗烷的化合物，得到含有锗元素的掺杂石墨烯包括步骤：通入含碳元素的化合物，使得含碳元素的化合物在铜表面裂解并生长石墨烯；改变含碳元素的化合物流量，同时通入含锗烷的化合物，制得含锗元素的掺杂石墨烯。

所述含有碳元素的化合物可为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷等。

在本发明的实施例中，所述制备方法包括如下步骤：

一，电抛光处理催化基底表面：

1，配置电抛光溶液：所述溶液可采用1000ml去离子水，500ml磷酸，500ml乙醇，100ml异丙醇，10g尿素配置成混合溶液；

2，将厚度为6～200μm的铜片作为阴极，需要处理的目标铜片作为阳极，置入电抛光溶液中，通电保持电压稳定在1.5～6伏特1分钟。

3，将目标铜片从电抛光溶液中取出，用去离子水清洗干净，再用无水乙醇冲洗，最后氮气吹干。

二，制备含锗元素的掺杂石墨烯：

1，将步骤一所处理好的铜片放入真空管式炉恒温区域；

2，用真空泵将真空管抽至于本底真空，约0.2～0.5帕斯卡，再通入10sccm氢气；

3，加热真空管式炉至1000度，在该温度下保持5分钟，去除铜片表面的氧化物并退火；

4，通入1sccm甲烷30秒，使得碳源在铜片表面裂解并生长石墨烯；

5，改变甲烷流量至3sccm，同时通入0.1～0.5sccm锗烷，保持在1000度10分钟，制得含元素的掺杂石墨烯；

6，停止加热，将真空管式炉自然冷却至常温；

7，通入氩气破坏真空，待管中真空达到1个大气压，便可打开真空管式炉取出样品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含锗元素的掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，采用化学气相沉积法制备含锗元素的掺杂石墨烯，所述方法包括以下步骤：将催化基底放入真空的反应器中，然后向所述反应器中通入含有碳元素和锗烷的化合物，制得含有锗元素的掺杂石墨烯；

所述向所述反应器中通入含有碳元素和锗元素的化合物，得到含有锗元素的掺杂石墨烯包括步骤：通入含碳元素的化合物，使得含碳元素的化合物在铜表面裂解并生长石墨烯；改变含碳元素的化合物流量，同时通入含锗烷的化合物，制得含锗元素的掺杂石墨烯；所述含碳元素的化合物为甲烷、具体为通入1sccm甲烷30秒，使得碳源在催化基底表面裂解并生长石墨烯，改变甲烷流量至3sccm，同时通入0.1～0.5sccm锗烷，保持在1000度10分钟，制得含锗元素的掺杂石墨烯。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括电抛光处理催化基底表面。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述催化基底为铜片，所述电抛光处理催化基底步骤包括：配置电抛光溶液；将作为阳极的目标铜片与作为阴极的铜片置入电抛光溶液中，通电且保持电压稳定在1.5～6伏特1分钟；将目标铜片从电抛光溶液中取出，用去离子水清洗干净，再用无水乙醇冲洗，最后氮气吹干。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电抛光溶液为去离子水，磷酸，乙醇，异丙醇，尿素配置而成的混合溶液。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述作为阴极的铜片厚度为6～200μm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有碳元素的化合物为一氧化碳、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷中的任一种替代权利要求1中的甲烷。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应器为真空管式炉。