CN111285336A - 一种消除二维材料褶皱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平整石墨烯等二维材料的方法，包括使得具有二维材料的基底发生拉伸变形的过程。通过冲压装置或拉伸装置能使得基底发生受控制的变形，由此能很好的消除二维材料的褶皱。

Description

一种消除二维材料褶皱的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯等二维材料，特别涉及平整石墨烯等二维材料的制备和应用领域。
背景技术
二维材料是一个大家族，元素周期表中有近三十种元素可以构成二维材料。二维材料具有非常好的性能。以石墨烯为例，石墨烯是具有单原子层厚度的二维结构碳纳米材料，由于其十分优异的力学、电学和热学性质，引起了科学界和产业界极大的关注和研究热潮。化学气相沉积法(CVD)是制备石墨烯的最为普遍的方法之一，具有物质产量高、生长面积大等优点。然而，由于在运用CVD方法制备石墨烯时需经历先高温后冷却的过程，而石墨烯的热膨胀系数与其生长基底的热膨胀系数不一致，最后制备成的石墨烯在基底上往往有大量的褶皱存在。除了生长基底上的石墨烯具有褶皱外，转移后的石墨烯也会有很多褶皱。其他二维材料的褶皱形成也类似石墨烯。
这些褶皱很大程度上限制了石墨烯的各种性能，如电子迁移率、摩擦磨损性能等。如何高效、低成本的消除石墨烯褶皱，制备超平整石墨烯，具有重要的意义和实用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种消除石墨烯等二维材料褶皱的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种消除二维材料褶皱的方法，包括如下步骤：
(1)提供一结构体，该结构体包括基底和在该基底表面上的二维材料层；所述结构体具有第一部分、第二部分和位于所述第一部分、第二部分之间的至少一部分覆盖有所述二维材料的中间部分；
(2)通过夹紧第一、二部分夹紧所述结构体；
(3)使所述结构体发生拉伸变形，其中，使结构体发生拉伸变形的力至少在初始阶段是垂直于二维材料层或平行于二维材料层，所述平行于二维材料层包括重合于二维材料层。
根据本发明的另一个方面，至少所述第一部分和第二部分中之一的至少一个表面是由所述基底提供；优选的，所述第一部分和第二部分为未覆盖二维材料的基底部分。
根据本发明的另一个方面，所述结构体的中间部分还包括一第三部分，所述第三部分的至少一个表面或所有表面是由基底部分提供。
根据本发明的另一个方面，在步骤(2)中，提供一夹紧装置，夹紧所述第一、二部分；提供一施力装置，所述施力装置可在垂直于所述二维材料层的方向向结构体施加压力；所述夹紧装置具有避让空间，使得施力装置在避让空间中移动，以使得基体变形；优选的，施力装置向所述第三部分施加压力，其中，第三部分的尺寸优选如下：在变形终了时仅以第三部分的至少部分包裹施力装置或者整个变形期间仅以第三部分的至少部分施力装置。
根据本发明的另一个方面，提供一冲压装置，所述冲压装置具有夹紧装置、冲头装置和具有凹槽的阴模，所述冲压装置通过夹紧装置夹紧第一、二部分，所述二维材料层布置在不同于冲头一侧的其它表面，所述冲头装置在凹槽内外伸缩，从而使得基底发生拉伸变形；第三部分的尺寸优选如下：在变形终了时仅以第三部分的至少部分包裹冲头或者整个变形期间仅以第三部分的至少部分包裹冲头。
根据本发明的另一个方面，凹槽的对应于冲头包裹结构体部分的范围内的垂直于冲头方向的尺寸不小于冲头与2倍结构体厚度之和；优选的，凹槽的对应于冲头包裹结构体部分的范围内的垂直于冲头方向的尺寸远大于冲头与2倍结构体厚度之和，使得在达到期望变形程度之前，基底的具有二维材料的部分的变形始终发生在凹槽内而不与冲头接触。
根据本发明的另一个方面，提供一拉伸装置，所述拉伸装置包括第一、二夹紧装置，所述拉伸装置通过第一、二夹紧装置分别夹紧第一、二部分并经至少所述第一、二部分之一拉伸所述结构体；优选的，所述拉伸装置还包括第三夹紧装置，所述第三夹紧装置夹紧所述第三部分，所述第三夹紧装置固定，经所述第一、二夹紧部分拉伸所述结构体。
根据本发明的另一个方面，所述变形为弹性变形或塑形变形，优选的，当基底为金属时，发生的变形为弹塑性变形阶段。
本发明主要由二维材料及其基底组成，基底可为二维材料生长的基底，也可为转移了二维材料的新基底。
本发明的二维材料包括单层或多层石墨烯、石墨、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母等。
本发明的基底材料包括Al、Co、Ni、Cu、Pd、Ag、Pt、Au等金属。
本发明通过均匀拉伸基底，利用基底与二维材料之间的分子间作用力，从而达到拉伸二维材料，消除二维材料褶皱的目的。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明
图1(a)、(b)是生长有褶皱未消除的二维材料的基底的示意图；
图2是实施拉伸的装置的示意图，其中：
图2(a)、2(b)为通过冲压装置使得基底拉伸；图2(c)为通过拉伸装置使得基底拉伸；
图3是扫描电镜下照片。图3(a)中黑色部分为石墨烯，白色部位为褶皱图。图3(b)为左图圆圈部分的放大图；
图4是扫描电镜下照片。图4(a)为拉伸前铜基底上的石墨烯，图4(b)为褶皱被消除后的石墨烯。
图5是扫描电镜下照片。图5(a)为拉伸前铜基底上的石墨烯，图5(b)为褶皱被消除后的石墨烯。
具体实施方式
以下将参考附图详细描述本发明的去除二维材料褶皱的方法。
如图1所示，由于二维材料(2)的热膨胀系数与其生长基底(1)的热膨胀系数不一致，最后制备成的二维材料(2)在基底上往往有大量的褶皱(3)存在。图3是扫描电镜下照片，图3(a)中黑色部分为石墨烯，白色线条部位为褶皱图。图3(b)为左图圆圈部分的放大图。常见的二维材料包括二硫化钼、氮化硼、硅烯等。通过拉伸基底(1)而消除褶皱。本发明以石墨烯为例对消除褶皱的方式进行详细描述，其中将生长有石墨烯的基底统称为结构体，即结构体包括基底(1)和石墨烯(2)。需要注意的是，图示中的方向仅是示意性的，如图2中冲压装置是上下方向布置，但是本领域技术人员可以确认其也可以水平方向布置。
所述基底(1)的部分区域或者全部区域上生长有二维材料石墨烯。图1(a)、(b)示出了部分区域上生长有石墨烯的结构体示意图。
结构体具有第一夹紧部分(11)和第二夹紧部分(12)和位于夹紧部分之间的具有石墨烯部分的中间部分(13)。
如图2(a)所示，可以通过冲压的方式使得基底进行拉伸，通过控制冲压的力量、速度、行程，控制基底的拉伸程度和效果，达到不破坏表面石墨烯结构的前提下去除褶皱。冲压装置包括架紧装置21、下模22、冲头23。下模22具有图示中上下方向上和/或前后方向上贯通或非贯通的凹槽。优选的至少在对应于冲头包裹结构体部分的范围内的凹槽的垂直于冲头方向的尺寸要不小于(即大于等于)冲头与2倍结构体厚度之和。夹紧装置21压紧基底的第一夹紧部分11、第二夹紧部分12，冲头(23)向下运动，带动基底的中间部分(13)向下运动，由此经历弹性变形至塑形变形阶段。优选的，石墨烯是布置在相反于基底与冲头接触的一侧的另一侧的表面。这并不意味着将石墨烯布置在与冲头接触的一侧表面排斥在本实施例外，同样的石墨烯可以布置在基底的两侧表面或多个侧面。
第一、二夹紧部分可以是布置有石墨烯的结构体的一部分；也可以是没有布置石墨烯的部分，在这种情况下，至少第一、二夹紧部分中之一是不具有石墨烯(2)的基底部分，图1(a)示出了第一、二夹紧部分均裸露在外的情况，第一夹紧部分(11)和第二夹紧部分(12)位于基底上覆盖有石墨烯的部分的两侧。
图2(b)给出了另外一种实施例。在结构体的中间部分(13)的对应于冲头的位置具有一第三部分(14)，所述第三部分(14)位于第一、二夹紧部分之间，并且至少在第三部分(14)与第一夹紧部分和/或第二夹紧部分之间具有石墨烯部分。至少第三部分的一侧未覆盖有石墨烯(2)，即第三部分的远离冲头的一侧和/或冲头的一侧未覆盖有石墨烯(2)。凹槽的对应于冲头包裹结构体部分的范围内的垂直于冲头方向的尺寸要不小于(即大于等于)冲头与2倍结构体厚度之和，优选的要远大于冲头与2倍结构体厚度之和。第三部分的尺寸设计成如下：在变形终了时仅以第三部分的至少部分包裹冲头。也可以使得在整个变形期间仅以第三部分的至少部分包裹冲头。这并不意味着在变形终了时还以具有石墨烯的部分包裹冲头的情况。如此能在达到期望变形程度之前，具有石墨烯的基底的变形始终发生在凹槽(24)内而不与冲头接触。
本领域能够知晓，也可以不需要下模，即图2(a)、(b)中的下模(22)构造成夹紧装置的一部分，凹槽(24)可以是由夹紧装置形成的避让空间，只要使得冲头作为施力装置在避让空间内移动使得结构体变形即可。
图2(c)给出了第三种实施例。与前两种实施例不同，采用拉伸装置对结构体进行拉伸。拉伸装置类似于拉伸试验机。夹紧装置21分为第一二夹紧装置，分别夹紧结构体的第一夹紧部分(11)、第二夹紧部分(12)。第一夹紧装置(21a)可以是固定的，第二夹紧部分(21b)对结构体施加拉伸方向的拉力T。当然，第一夹紧装置(21a)也可以能对结构体施加与T方向相反的力。对于图1(b)中的具有第三部分(14)的情况，也可以将固定的第一夹紧装置夹持第三部分，而可移动的两个第二夹紧装置夹持第一、二夹紧部分并分别进行拉伸。如前所述，第一、二夹紧部分和/或第三部分可以是覆盖石墨烯的结构体，也可以是未覆盖石墨烯的基底部分。
拉伸前后的石墨烯褶皱对比见图4、图5。
1)图4是扫描电镜下结构体的照片，图4(a)为拉伸前铜基底上的石墨烯，黑色圈内的白色线条部位为石墨烯褶皱。在拉伸后，如图4(b)所示，褶皱被消除。
2)图5与图4相同，也是扫描电镜下照片。图5(a)为拉伸前铜基底上石墨烯，黑色圈内的白色线条部位为石墨烯褶皱。在拉伸后，如如图5(b)所示，褶皱消除。可以通过控制基底变形的程度(弹性阶段、塑性阶段或弹性到塑性过渡的弹塑性阶段)来避免破坏表面石墨烯层。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消除二维材料褶皱的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)提供一结构体，该结构体包括基底和在该基底表面上的二维材料层；所述结构体具有第一部分、第二部分和位于所述第一部分、第二部分之间的至少一部分覆盖有所述二维材料的中间部分；
(2)通过夹紧第一、二部分夹紧所述结构体；
(3)使所述结构体发生拉伸变形，其中，使结构体发生拉伸变形的力至少在初始阶段是垂直于二维材料层或平行于二维材料层，所述平行于二维材料层包括重合于二维材料层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：至少所述第一部分和第二部分中之一的至少一个表面是由所述基底提供；优选的，所述第一部分和第二部分为未覆盖二维材料的基底部分。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述结构体的中间部分还包括一第三部分，所述第三部分的至少一个表面或所有表面是由基底部分提供。
4.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，提供一夹紧装置，夹紧所述第一、二部分；提供一施力装置，所述施力装置可在垂直于所述二维材料层的方向向结构体施加压力；所述夹紧装置具有避让空间，使得施力装置在避让空间中移动，以使得基体变形；优选的，施力装置向所述第三部分施加压力，其中，第三部分的尺寸优选如下：在变形终了时仅以第三部分的至少部分包裹施力装置或者整个变形期间仅以第三部分的至少部分施力装置。
5.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：提供一冲压装置，所述冲压装置具有夹紧装置、冲头装置和具有凹槽的阴模，所述冲压装置通过夹紧装置夹紧第一、二部分，所述二维材料层布置在不同于冲头一侧的其它表面，所述冲头装置在凹槽内外伸缩，从而使得基底发生拉伸变形；第三部分的尺寸优选如下：在变形终了时仅以第三部分的至少部分包裹冲头或者整个变形期间仅以第三部分的至少部分包裹冲头。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：凹槽的对应于冲头包裹结构体部分的范围内的垂直于冲头方向的尺寸不小于冲头与2倍结构体厚度之和；优选的，凹槽的对应于冲头包裹结构体部分的范围内的垂直于冲头方向的尺寸远大于冲头与2倍结构体厚度之和，使得在达到期望变形程度之前，基底的具有二维材料的部分的变形始终发生在凹槽内而不与冲头接触。
7.如权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：提供一拉伸装置，所述拉伸装置包括第一、二夹紧装置，所述拉伸装置通过第一、二夹紧装置分别夹紧第一、二部分并经至少所述第一、二部分之一拉伸所述结构体；优选的，所述拉伸装置还包括第三夹紧装置，所述第三夹紧装置夹紧所述第三部分，所述第三夹紧装置固定，经所述第一、二夹紧部分拉伸所述结构体。
8.如权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于：所述基底选自金属。
9.如权利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于：所述二维材料层选自石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。
10.如权利要求1-9中任一所述的方法，其特征在于：所述变形为弹性变形或塑形变形，优选的，当基底为金属时，发生的变形为塑性变形阶段。
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