CN110078057A - 一种低电阻率的氧化还原石墨烯及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低电阻率的氧化还原石墨烯及制备方法，使用铜箔辅助化学气相沉积（CVD）制备氧化还原石墨烯。本发明以常见易制备的氧化石墨烯粉末/薄膜为原料，在CVD还原过程中，创造性地引入铜箔，制备出低电阻率的高质量石墨烯。采用本发明所使用的铜箔辅助CVD还原能够有效刻蚀石墨烯上的含氧官能团，修复缺陷，从而使得制备出的石墨烯电阻率为300‑500Ω/sq，与其他还原方法相比，至少降低一个数量级的电阻率。本发明所制备得到的石墨烯具有低电阻率、缺陷少及质量高的特点,适用于大规模大面积生产。

Description

一种低电阻率的氧化还原石墨烯及制备方法

技术领域

本发明涉及二维材料的制备，尤其是一种铜箔辅助制备还原氧化石墨烯材料的方法，可以规模化利用批量制备高质量氧化还原石墨烯粉末。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由单层或数层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构的碳质新材料，集多种优异的性能于一身，其电子迁移率高于硅材料两个数量级，表明石墨烯材料有望替代半导体工业中的硅材料，拥有广阔的应用前景。制备石墨烯的方法多种多样，主要包括物理方法和化学方法两类。其中，物理方法包括机械剥离法、外延生长法等；化学方法包括化学气相沉积法(CVD)生长、还原氧化石墨烯法等。机械剥离的方法虽然能够生产出高质量的石墨烯单层，但其产量低下，不适合大规模生产；外延生长可以得到了高质量的单层和多层石墨烯，但其超高的真空要求严重影响了生产的大规模推广；相比之下传统CVD生长可以得到具有良好电气性能的石墨烯，但是其必须在特定的基底上才能生长，但随后必须要转移到绝缘衬底(这是制造集成器件结构的必要先决条件)的过程中，严重影响了生产效率降低了石墨烯的质量。而还原氧化石墨烯(GO)具有高比表面积、高电化学活性，其方法简易，产量大、成本低廉，是大批量生产石墨烯的极佳选择，在半导体器件领域具有广泛的应用前景。

对于氧化石墨烯的还原方法有很多，如化学还原剂还原、电化学还原、水热(溶剂热)还原、催化或光催化还原、微波热还原等还原方法。然而多数还原方法条件苛刻、难以控制。常见的化学还原氧化石墨烯方法虽然是目前比较容易制备石墨烯材料且成本较低的大规模工业化生产方法。但是由于石墨烯材料具有超高的比表面积，导致在石墨烯材料的制备过程中极易发生团聚现象。在整个氧化还原的制备步骤中，石墨烯材料晶格结构被严重破坏，造成石墨烯材料存在大量的缺陷。此外，经过强氧化剂氧化得到的氧化石墨烯材料并不能被完全还原，尤其是在石墨烯材料边缘位置仍然含有大量的含氧官能团，导致其物理和化学等性能的大幅受损。严重地影响石墨烯材料的导电性能，阻碍了石墨烯作为光、电子器件材料的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用铜箔辅助制备低电阻率氧化还原石墨烯的方法，所制得的还原氧化石墨烯材料具有较低的电阻率(300-500Ω/sq)，可以用于各个领域。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种利用CVD制备低电阻率氧化还原石墨烯的方法，使用铜箔辅助还原制备，具体包括以下步骤：

步骤1：取取1～100平方厘米，厚度为1～40微米，纯度95％以上的铜箔，将铜箔依次放入洁净的分析纯醋酸、丙酮、异丙醇中超声清洗5分钟左右，每超声清洗后均用去离子水冲洗，并置于真空干燥箱烘干；

步骤2：取步骤1得到的铜箔作为基底，在表面均匀地铺上氧化石墨烯粉末；

步骤3：将步骤2表面均匀铺有氧化石墨烯粉末的铜箔放置于管式炉中，首先通入氢气10sccm升温至1000℃～1050℃，然后再同时通入甲烷15～20sccm，保温50-60分钟后在氢气/氩气的环境中降至室温；制得所述低电阻率氧化还原石墨烯。

一种上述所述方法制得的低电阻率氧化还原石墨烯。

与传统还原方式相比，使用铜片辅助CVD还原最大的优势是能够有效刻蚀石墨烯上的含氧官能团，修复缺陷，从而使得制备出的石墨烯(300-500Ω/sq)明显降低一个数量级以上的电阻率。

具体实施方式

实施例1

1)所用氧化石墨采用改进Hummers方法制得。首先用去离子水配制出浓度为1mg/mL的氧化石墨烯分散液，超声处理1h后，将分散液进行多次离心(3000r/min)操作，最终得到均匀稳定的氧化石墨烯分散液。

2)取4平方厘米的铜箔，将铜箔依次放入洁净的分析纯醋酸、丙酮、异丙醇中超声清洗5分钟，然后分别用去离子水冲洗，并置于真空干燥箱烘干待用。

3)在超声洗净的培养皿中倒入去离子水，然后抽取1ml配置的1mg/mL氧化石墨烯分散液，缓慢滴入此玻璃容器中，静置3min。然后将铜箔以一定角度***水面，缓缓捞出，就可以利用气液界面自组装工艺，在铜箔基底上得到平整的GO薄膜。

4)将上述铜箔和GO薄膜放置于管式炉中，首先通入氢气10sccm升温至1000℃，然后再同时通入甲烷15sccm，保温1小时后，在氢气/氩气的环境中降至室温，制得所述低电阻率的氧化还原石墨烯。

实施例2

1)所用氧化石墨采用改进Hummers方法制得。首先用去离子水配制出浓度为1mg/mL的氧化石墨烯分散液，超声处理1h后，将分散液进行多次离心(3000r/min)操作，最终得到均匀稳定的氧化石墨烯分散液。

2)取4平方厘米的铜箔和硅片，将铜箔和硅片依次放入洁净的分析纯醋酸、丙酮、异丙醇中超声清洗5分钟，然后分别用去离子水冲洗，并置于真空干燥箱烘干待用。

3)在超声洗净的培养皿中倒入适量的去离子水，然后抽取1ml配置的1mg/mL氧化石墨烯分散液，缓慢滴入此玻璃容器中，静置3min。然后将硅片以一定角度***水面，缓缓捞出，就可以利用气液界面自组装工艺，在硅片基底上得到平整的GO薄膜。

4)将上述硅片和GO薄膜放置于管式炉中，在距离硅片一定距离处放置铜箔(不与硅片接触)，首先通入氢气10sccm升温至1000℃，然后再同时通入甲烷15sccm，保温1小时后，在氢气/氩气的环境中降至室温，制得所述低电阻率的氧化还原石墨烯。

表1为本发明制备出的石墨烯电阻率对比；与其他方法制备出的氧化还原石墨烯相比，至少降低一个数量级的电阻率。

表1

Claims (2)

1.一种低电阻率的氧化还原石墨烯及制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：取1～100平方厘米，厚度为1～40微米，纯度至少95％的铜箔，将铜箔依次放入洁净的分析纯醋酸、丙酮、异丙醇中超声清洗5分钟，每超声清洗后均用去离子水冲洗，并置于真空干燥箱烘干；

步骤2：取步骤1得到的铜箔作为基底，在表面均匀地铺上氧化石墨烯粉末；

步骤3：将步骤2表面均匀铺有氧化石墨烯粉末的铜箔放置于管式炉中，首先通入氢气10sccm升温至1000℃～1050℃，然后再同时通入甲烷15～20sccm，保温50-60分钟后在氢气/氩气的环境中降至室温；制得所述低电阻率氧化还原石墨烯。

2.一种权利要求1所述方法制得的低电阻率氧化还原石墨烯。