一种锗掺杂石墨烯材料的制备方法与流程

本发明涉及一种锗掺杂石墨烯材料的制备方法，属于超薄二维原子石墨烯材料制备技术领域。

背景技术：

作为一种单原子层的碳原子材料，石墨烯有着出众的性能和特殊的结构，比如说，石墨烯的电子迁移率能达到2×10⁵cm²/v.s，对可见光的透射率达到了97.7％，这些优异的性能使它成为光电器件研究的一种重要的材料，同时也吸引了无数科学家对它的兴趣。但石墨烯有一个非常严重的缺陷，就是它的禁带宽度为零，这个缺点严重制约了它在电子学和光子学中的应用，比如基于石墨烯的逻辑电路和发光二极管等器件应用。为了克服这一缺点，科学家们采用了很多方法试图打开石墨烯的带隙，在这些方法中，替代位掺杂是一种十分有效的办法。因为掺杂可以破坏石墨烯晶格的对称性，从而打开石墨烯的能带。比如说，利用硼、氮共同掺杂可以引起石墨烯晶格网格中形成随机分布的掺杂原子，这种不均匀的原子引起石墨烯带隙的变化可以应用在纳米级光电子器件之中。利用掺杂制备的能带被打开的石墨烯能够更广泛的应用于逻辑电子电路、光电器件、能源器件等众多领域。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种锗掺杂石墨烯材料的制备方法。

实现上述发明的技术解决方案是：将锗源与碳源相距0-50cm放置于反应炉管内，锗源与碳源的摩尔数比为50:1-1:1000,以1℃/min-300℃/min的速率升温至1050℃－2000℃，反应炉管抽至真空度为10^-5-10⁵pa后，然后通入保护气氛，在保护气氛下反应1-1000min,以1℃/min-500℃/min的速率冷却至室温，得到锗掺杂石墨烯材料。

本发明中，所述的锗源可以为锗粉、一氧化锗粉末或者二氧化锗粉末。所述的碳源可以为石墨烯粉末或者氧化石墨烯粉末。

本发明中所述的保护气体可以是氩气、氢气、氮气、氦气或者任意两种及以上气体按任意比例的混合气体。

本发明制备工艺简单，锗掺杂石墨烯的能带被打开，克服了因为石墨烯零带隙带来的诸多限制。本发明制备的锗掺杂石墨烯属于替位掺杂，制备得到的掺杂后的石墨烯电子特性很稳定，在量子光源、光电、半导体原型器件、微电子电路、射频器件、集成电路、纳米能源等多个技术领域具有广泛应用。

附图说明

图1是实施例1的锗掺杂石墨烯在电镜下的形貌图；

图2是实施例1的锗掺杂石墨烯的高分辨电镜图；

图3是实施例1的锗掺杂石墨烯的电子能量谱图；

图4是实施例1的锗掺杂石墨烯的电子衍射图；

图5是实施例2的锗掺杂石墨烯的低分辨电镜形貌图；

图6是实施例2的锗掺杂石墨烯的高分辨电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例做进一步的说明。

实施例1

1)将锗粉与石墨烯粉末混合放置于反应炉管内，锗粉末与石墨烯粉末的摩尔数比为1:3；

2)以10℃/min的速率升温至1050℃，反应炉管抽至真空度为10^-5pa，然后通入氩气，在氩气气氛下反应30min；

3)以20℃/min的速率冷却至室温，将样品取出，得到锗掺杂石墨烯材料，得到的锗掺杂石墨烯在电镜下的形貌图如附图1所示。附图3是对样品的电子能量谱图，从图中可以看出，得到的样品主要包含碳、氧、铜和锗四种元素。因为样品是置于铜网上进行测试的，所以在电子能量谱测试结果中会含有一定的铜元素。而同一种元素原子的电子核外有k、l、m等电子层，在受到电子照射后，核外不同电子层的电子产生跃迁，进而释放出了不同的能量，因而其中的铜、锗元素会有不同的能量谱线。但总得来说，从样品的能量谱图中，我们可以看出在石墨烯晶格中有足够的ge对应的电子跃迁能量信号，这说明锗已经掺入晶格位。图4是锗掺杂石墨烯的选区电子衍射图，对应的区域是图3的锗掺杂石墨烯区域，图4表明锗掺杂石墨烯的晶格常数为0.22nm，比石墨烯晶格常数的0.21nm接近。从图2，图3和图4联合分析表明，ge原子已经掺入石墨烯的晶格位置：因为如果锗没有掺入石墨烯的晶格位，这么高的ge电子能谱信号应该说明ge的非晶体或者晶体应该出现，而在电子衍射中我们没有得到非晶ge或者晶体ge对应的信息。

实施例2

1)将一氧化锗粉末与石墨烯粉末放置于反应炉管内，一氧化锗粉末与石墨烯粉末的摩尔数比为1:50，两者相距10cm；

2)以30℃/min的速率升温至1500℃，反应炉管抽至真空度为10^-2pa，然后通入氮气，在氮气气氛下反应100min；

3)以50℃/min的速率冷却至室温，取出样品，得到锗掺杂石墨烯材料。将所得的石墨烯样品分散在酒精溶液里，然后滴到铜网上进行透射电子显微镜表征，图5是锗掺杂石墨烯的低分辨电镜图，图6是锗掺杂石墨烯的高分辨电镜图。

实施例3

1)将二氧化锗粉末与石墨烯粉末放置于反应炉管内，二氧化锗粉末与石墨烯粉末的摩尔数比为1:1000，两者相距0cm；

2)以300℃/min的速率升温至1050℃，反应炉管抽至真空度为10^-5pa，然后通入氩气和氢气混合气体，混合体积比为9:1；在氩气和氢气气氛下反应1000min；

3)以400℃/min的速率冷却至室温，取出样品，得到锗掺杂石墨烯材料。

实施例4

1)将锗粉与氧化石墨烯粉末放置于反应炉管内，锗粉与氧化石墨烯的摩尔数比为1:1，两者相距20cm；

3)以60℃/min的速率升温至2000℃，反应炉管抽至真空度为10⁵pa，反应在氦气气氛下进行，反应时间为1min；

4)以200℃/min的速率冷却至室温，取出样品，得到锗掺杂石墨烯材料。

实施例5

1)首先将一氧化锗粉末与氧化石墨烯粉末放置于反应炉管内，一氧化锗粉末和氧化石墨烯粉末的摩尔数比为50:1，两者相距50cm；

2)以300℃/min的速率升温至1200℃，反应炉管抽至真空度为10pa，然后通入,氮气和氢气混合气体，混合体积比为20:1；在氮气和氢气气氛下反应200min；

3)以400℃/min的速率冷却至室温，取出样品，得到锗掺杂石墨烯材料。

以上所述的实施例仅为本发明较佳的实施例而已，并不用以限制本发明，凡是在本发明的思想和原则之上所做的任何修改、同等替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种锗掺杂石墨烯材料的制备方法，所述锗掺杂石墨烯材料由固态锗源和碳源在一定条件下反应得到，相比于原始石墨烯材料的零禁带缺点，通过锗元素的掺杂后，石墨烯能带会被打开，能够更广泛的应用于量子光源、光电、半导体原型器件、微电子电路、射频器件、集成电路、纳米能源、复合材料等多个技术领域。

技术研发人员：林时胜
受保护的技术使用者：杭州格蓝丰纳米科技有限公司
技术研发日：2017.02.28
技术公布日：2017.08.22