基于等离子体化学增强气相沉积直接合成大面积氧化石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种基于等离子体化学增强气相沉积直接合成大面积氧化石墨稀的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种用具有极佳电学、力学、热学性能的材料，被认为是未来微电子行业的的基础材料。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，通过在石墨烯晶格碳上枝接氧原子、羟基、羧基、羰基等含氧集团来构造。与石墨烯相比，氧化石墨烯由于含有极性的含氧基团，对于分子的吸附更好，因此可用作气体或液体传感器。另外，由于极性基团的作用，微小尺寸的氧化石墨烯在溶液中会自发形成有序的层状结构，可用于溶液的过滤。除此之外，将不同程度氧化的氧化石墨烯接触，接触面上会形成异质结，可用来制作各类光电器件。
[0003]目如，氧化石墨稀应用过程中最为关键的环节是氧化石墨稀材料的制备。现在应用最为广泛的制备氧化石墨稀的方法是改良Hummer法(Modified Hummer’s Method,出自:Daniela C.Marcano et al, Improved Synthesis of Graphene Oxide, ACS NanoVol.4 N0.8 pp.4806-4814，2010)。这种方法的基本原理是利用强氧化剂将石墨氧化为氧化石墨烯。但这种方法所需的反应时间长，而且所得到的氧化石墨烯是仅为微米尺度的小片。这对于氧化石墨烯的应用是非常不利的。
[0004]Chung等人发明了一种获得较大面积氧化石墨烯的方法。他们首先用CVD法制备石墨烯，然后再将所制备的石墨烯转移到所需衬底上，最后用臭氧等离子体对石墨烯进行氧化处理来获得氧化石墨稀(出自:Min Gyun Chung et al, Highly sensitive NO2gas sensor based on ozone treated graphene, Sensors and Actuators B 166 - 167(2012) 172 - 176)。这种方法克服了改良Hrnnmer法中所制备氧化石墨稀尺寸过小的缺点，但其缺点也非常明显:氧化石墨烯的合成需分2步进行，反应时间长；而且在利用臭氧等离子体对石墨烯进行处理的时候，一旦条件控制不好，石墨烯局部会被刻蚀掉，形成空洞，破坏了氧化石墨烯薄膜的完整性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种反应时间短，反应温度低，且氧化石墨烯的含氧量可控的直接合成大面积氧化石墨烯的方法。这对于今后氧化石墨烯的应用具有十分重要的意义。
[0006]本发明提供的直接合成大面积氧化石墨烯的方法，是基于等离子体化学增强气相沉积法的，具体步骤如下:
步骤1.1:对衬底进行预处理；
步骤1.2:在衬底上生长氧化石墨稀；
步骤1.3:生长结束后将氧化石墨烯取出。
[0007]进一步的，步骤1.1中所述的衬底材料为具有催化特性的金属或某些非金属。所述具有催化特性的金属主要有:铜、镍、铂、金等；所述非金属主要有:硅、碳、锗等。
[0008]进一步的，步骤1.1中所述的对衬底进行预处理主要包括以下流程:超声清洗、化学抛光、冲洗、烘干；其中，所述超声清洗所使用的溶剂包括丙酮、异丙醇、去离子水等；所述化学抛光所采用的抛光液可为过硫酸铵溶液等；所述冲洗所采用的冲洗剂为去离子水；所述烘干过程的温度为50°C -70°C。
[0009]进一步的，步骤1.2中所述的生长氧化石墨烯的过程主要包括如下步骤:
步骤1.2.1:将衬底载入等离子体增强化学气相沉积系统；
步骤1.2.2:预处理；
步骤1.2.3:氧化石墨稀生长。
[0010]进一步的，步骤1.2.1中所述的等离子体增强化学气相沉积系统主要包括供气系统、真空系统、炉腔、加热系统和放电系统。所述供气系统的主要功能是向炉腔中供气，所供气体包括碳源气体、还原气体、载流气体。所述真空系统的主要功能是将炉腔抽真空，并控制炉腔内的气压。所述炉腔为氧化石墨烯合成的场所。所述加热系统的主要功能是控制炉腔的温度。所述放电系统的主要功能是将供气系统提供的气体激发和电离，产生合成氧化石墨烯所需的各类粒子。
[0011]进一步的，所述的碳源气体可以是甲烷、乙炔等含碳的有机物；所述的还原气体为氢气；所述的载流气体为氩气。
[0012]进一步的，步骤1.2.2中所述的预处理过程包括:开启真空系统将炉腔抽真空、开启加热系统将炉腔加热到所需温度、开启还原气体并持续一段时间。所述预处理过程的主要目的是在一定温度下利用还原气体将衬底上的氧化物还原。所述温度视衬底材料而定。
[0013]进一步的，步骤1.2.3中所述的氧化石墨烯生长过程主要包括:利用加热系统将炉腔温度控制在反应温度；然后在炉腔中通入按一定比例混合的碳源气体、还原气体、载流气体；开启放电系统并持续一段反应时间；关闭碳源气体和放电。所述反应温度为100C -700°C ;所述放电系统所产生的等离子体的功率为10-100W ;引入氧化石墨烯合成所需的含氧基团的方法有3种:(I)通过所述碳源气体、还原气体、载流气体中的残余氧气或水蒸气引入，即所述碳源气体、还原气体、载流气体中至少一种气体的纯度低于99.9% ; (2)通过炉腔内壁吸附的水蒸气引入，即氧化石墨烯合成反应时因炉腔内壁吸附水蒸气所造成的反应空间内的水蒸气含量大于10ppm ; (3)综合(I)和(2)的方法；所述碳源气体、还原气体、载流气体的混合比例为1: (20-100): (100-200);所生成的氧化石墨烯中碳元素与氧元素的比例可通过调节所述还原气体的混合比例来改变，或通过调节反应温度来改变。所述反应时间为1-20分钟。
[0014]本发明方法的关键之处在于氧原子的引入与控制；本发明方法反应时间短，反应温度低，且氧化石墨烯的含氧量可控。与现有的化学法合成的氧化石墨烯相比，本方法合成的氧化石墨烯具有尺寸大，均匀性好的特点，可用在气体探测、光电器件等领域。
【附图说明】
[0015]图1等离子体增强化学气相沉积系统示意图。
[0016]图2炉腔温度-时间变化示意图。
[0017]图3所合成氧化石墨烯的喇曼光谱图。
[0018]图中标号:101为炉腔，102为放电系统，103为供气系统，104