专利名称：石墨烯片插层化合物制备方法及原位显微拉曼表征系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料制备和光谱分析技术领域，尤其涉及一种石墨烯片插层化合物的制备方法及原位显微拉曼表征系统。
背景技术：
石墨插层化合物是在石墨的石墨烯层间插入原子或分子层的一种化合物。由于其在结构、电学和光学性质方面具有独特的特征，石墨插层化合物自1841年被发现以来就被广泛地研究。它们被广泛地应用于电极、导体、超导体、催化剂、电池等领域。最近石墨烯的发现和物理研究获得了诺贝尔物理学奖，因此，能否将石墨烯片插入其它原子或分子层而形成石墨烯片插层化合物，就是一个十分重要的问题。如果能制备， 有什么简便的方法？以前石墨插层化合物的尺寸和体积都非常大，因此表征石墨插层化合物就十分方便，无论是X射线还是拉曼光谱等技术。但是，由于石墨烯片往往非常薄和非常小，X射线已经很难应用到石墨烯片插层化合物中。对于拉曼光谱而言，表征石墨烯也不是易事，这涉及到如何定位微小的石墨烯片。这时，利用显微拉曼光谱来表征石墨烯片插层化合物就非常必要。石墨烯片插层化合物的形成跟温度有很明显的关系。一般合成石墨插层化合物时，需要通过控制石墨烯和三氯化铁之间的温度差来实现不同的插层阶次，这样制备石墨插层化合物的设备就非常复杂，典型的就是Dresselhaus在Advanced in Physics 51， 1(2002)中图五叙述的装置。对于石墨烯片插层化合物的制备，这种装置是不方便的，因为石墨烯的尺寸往往很小，只有几个到几十个微米，另外石墨烯的厚度非常薄，只有几至几百埃。以前制备石墨插层化合物那样宏大的设备现在已经不适合于微小的石墨烯片。考虑到当石墨烯和三氯化铁之间的温度差为零时，可以制备一阶次的插层化合物，我们就设计了小巧的合成设备和相应的制备方法，并利用这种设备和方法成功合成了一阶次的石墨烯片插层化合物。如上所述，石墨烯片插层化合物因其尺寸小，如何实现对微米量级的石墨烯片进行插层，而且在插层反应过程中不会对微小石墨烯片造成污染或破坏，并能对插层反应前后的石墨烯片进行重复定位，这些都是石墨烯片插层化合物制备需要解决的问题。这些问题是全新的问题，是在以前体石墨的插层化合物制备中不会碰到的。另外，石墨烯片微小的尺寸给其拉曼表征带来一定的困难，人们如何判断所用的石墨烯片是否完全被插层为一阶次的插层化合物就是急需要解决的问题。如何将石墨烯片插层化合物的制备与其原位的显微拉曼表征相结合，显然是目前石墨烯片插层化合物的初始研究所急需解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种石墨烯片插层化合物的制备方法和原位显微拉曼表征系统。这种制备方法简单可行，适合于对微米量级的石墨烯片进行插层，插层反应过程中不会对微小石墨烯片造成污染或破坏，并能对插层反应前后的石墨烯片进行重复定位。该方法可以用于一阶次的微小尺寸石墨烯片/三氯化铁插层化合物的制备。同时，本发明的原位显微拉曼表征系统可以用来原位监测和研究石墨烯片/三氯化铁插层化合物的纯度、阶次和均勻性等问题。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯片插层化合物的制备方法，该方法包括将石墨烯片放置在与玻璃管相连且相通的比色皿内；将三氯化铁放置在玻璃管内；利用分子泵将玻璃管和比色皿抽成真空；将玻璃管用酒精灯加热密封；以及将玻璃管和比色皿加热到340摄氏度并保持6至M小时；然后降温到常温上述方案中，所述三氯化铁潮湿，则利用分子泵将玻璃管和比色皿抽成真空，并采用加热台将玻璃管和比色皿加热到100摄氏度后保持1小时，待冷却后将玻璃管用酒精灯加热密封。为达到上述目的，本发明还提供了一种石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，该系统包括一激光器 LS;一拉曼光谱仪RS，包含长工作距离物镜OB ；一玻璃管TB和一比色皿CL，比色皿CL内含石墨烯片，玻璃管TB内含三氯化铁石墨烯片； 一加热台JRT，用来加热玻璃管TB和比色皿CL以合成石墨烯片/三氯化铁插层化合物；一平移台PYT，用来将比色皿CL内的石墨烯移到拉曼光谱仪RS显微物镜OB下方中心；一升降台SJT，用来将比色皿CL内的插层化合物移到拉曼光谱仪RS显微物镜OB 中心；以及两振镜ZM，用来原位拉曼成像。上述方案中，所述拉曼光谱仪RS置于激光器LS后。上述方案中，所述玻璃管TB和比色皿CL密闭相通，置于长工作距离物镜OB下方。上述方案中，所述加热台JRT置于密闭玻璃管TB和比色皿CL下方。上述方案中，所述平移台PYT置于加热台JRT右方。上述方案中，所述升降台SJT置于加热台JRT和平移台PYT下方。上述方案中，所述两振镜ZM置于拉曼谱仪RS显微物镜OB上方光路中。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、利用本发明，可以方便地制备出小尺寸的一阶次的石墨烯片/三氯化铁插层化合物，不会对微小的石墨烯片造成污染或破坏，并能对插层反应前后的石墨烯片进行重复定位，从而对其成品率、阶次和均勻性等进行原位的拉曼光谱表征。如果所制备石墨烯片插层化合物纯度不够，还可以原位再对玻璃管和比色皿加热，进一步合成纯净的石墨烯片插层化合物。2、本发明提供的石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，可应用于各种石墨烯片插层化合物的制备和相应材料的拉曼光谱测试等技术。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明如后，其中图1是本发明提供的原位显微拉曼表征系统的结构示意图。图2是三氯化铁插层2-4层石墨烯片后的显微光学图。图3是利用原位显微拉曼系统表征本发明所制备的双层和三层石墨烯片插层化合物的显微拉曼谱图。图4是利用原位显微拉曼系统测试不均勻石墨烯片插层化合物的两个拉曼峰的强度像。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供的这种石墨烯片插层化合物的制备方法，是将石墨烯片放置在与玻璃管相连且相通的比色皿内；将三氯化铁放置在玻璃管内；利用分子泵将玻璃管和比色皿抽成真空；将玻璃管用酒精灯加热密封；将玻璃管和比色皿加热到340摄氏度并保持6至M 小时；然后降温到常温。其中，如果三氯化铁潮湿，利用分子泵将玻璃管和比色皿抽成真空可以用加热台将其加热到100摄氏度后保持1小时，待冷却后将玻璃管用酒精灯加热密封。请参阅图1所示，图1是本发明提供的原位显微拉曼表征系统的结构示意图，该系统包括一激光器 LS ；一拉曼光谱仪RS，包含长工作距离物镜0B，置于激光器LS后；密闭相通的一玻璃管TB和一比色皿CL，置于长工作距离物镜OB下方，其中比色皿 CL内含石墨烯片，玻璃管TB内含三氯化铁；一加热台JRT，用来加热玻璃管TB和比色皿CL以合成石墨烯片/三氯化铁插层化合物，置于密闭玻璃管TB和比色皿CL下方；一平移台PYT，用来将比色皿CL内的石墨烯移到拉曼光谱仪RS显微物镜OB下方中心，置于加热台JRT右方；一升降台SJT，用来将比色皿CL内的插层化合物移到拉曼光谱仪RS显微物镜OB 中心，置于加热台JRT和平移台PYT下方；两振镜ZM，用来原位拉曼成像，置于拉曼谱仪RS显微物镜OB上方光路中。利用上面的制备方法和制备设备，可以通过控制加热台的温度来制备石墨烯片/ 三氯化铁插层化合物，同时利用原位显微拉曼表征系统来检测样品的合成情况。
作为本发明的一个实施例，图2给出了三氯化铁插层2-4层石墨烯片后的显微光学图，图中的2-4层石墨烯片的大小仅为约300平方微米，用以前的方法极易玷污样品而无法在插层反应后找到这么微小的石墨烯片，但是对于本发明的制备方法和原位显微拉曼表征系统来说却不存在任何问题。图3给出了利用原位显微拉曼系统表征本发明所制备的双层和三层石墨烯片插层化合物的显微拉曼谱图。图3中的拉曼峰1是石墨烯的G模，位于1625波数左右，远高于本征石墨的1582波数，与石墨插层化合物类似，说明二层和三层石墨烯已经被插层成一阶次的化合物。拉曼谱中的拉曼峰2是单峰结构，进一步证明了这一结论。当石墨烯片插层化合物的质量不好时，本发明在1615波数和1625波数观察到两个拉曼峰。利用本发明的原位显微拉曼表征系统中的两个振镜角度的偏转，可以在样品不动的情况下对石墨烯片插层化合物进行扫描成像。图4给出了扫描成像结果，其中，图4 (a) 是1615波数峰位强度，图3(b)是1625波数峰位强度。从图4中可以看出，样品的上半部分是重掺杂，下半部分是轻掺杂，很不均勻，需要进一步的合成，以形成完全的石墨烯片插层化合物。以上实施例说明本发明的制备方法和制备设备对于合成石墨烯片插层化合物十分有效和有用。同时，本发明的原位显微拉曼表征系统对合成的石墨烯片插层化合物能进行有效表征，和方便地检测样品的合成。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种石墨烯片插层化合物的制备方法，其特征在于，该方法包括 将石墨烯片放置在与玻璃管相连且相通的比色皿内；将三氯化铁放置在玻璃管内；利用分子泵将玻璃管和比色皿抽成真空，真空度优于10_3托； 将玻璃管用酒精灯加热密封；以及将玻璃管和比色皿加热到340摄氏度并保持6至M小时；然后降温到常温。
2.根据权利要求1所述的石墨烯片插层化合物的制备方法，其特征在于，所述三氯化铁潮湿，则利用分子泵将玻璃管和比色皿抽成真空，并采用加热台将玻璃管和比色皿加热到100摄氏度后保持1小时，待冷却后将玻璃管用酒精灯加热密封。
3.—种石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，其特征在于，该系统包括 一激光器LS ；一拉曼光谱仪RS，包含长工作距离物镜OB ；一玻璃管TB和一比色皿CL，比色皿CL内含石墨烯片，玻璃管TB内含三氯化铁； 一加热台JRT，用来加热玻璃管TB和比色皿CL以合成石墨烯片/三氯化铁插层化合物；一平移台PYT，用来将比色皿CL内的石墨烯移到拉曼光谱仪RS显微物镜OB下方中心； 一升降台SJT，用来将比色皿CL内的插层化合物移到拉曼光谱仪RS显微物镜OB中心；以及两振镜ZM，用来原位拉曼成像。
4.根据权利要求3所述的石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，其特征在于，所述拉曼光谱仪RS置于激光器LS后。
5.根据权利要求3所述的石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，其特征在于，所述玻璃管TB和比色皿CL密闭相通，置于长工作距离物镜OB下方。
6.根据权利要求3所述的石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，其特征在于，所述加热台JRT置于密闭玻璃管TB和比色皿CL下方。
7.根据权利要求3所述的石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，其特征在于，所述平移台PYT置于加热台JRT右方。
8.根据权利要求3所述的石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，其特征在于，所述升降台SJT置于加热台JRT和平移台PYT下方。
9.根据权利要求3所述的石墨烯片插层化合物的原位显微拉曼表征系统，其特征在于，所述两振镜ZM置于拉曼谱仪RS显微物镜OB上方光路中。
全文摘要
本发明公开了一种石墨烯片插层化合物的制备方法及原位显微拉曼表征系统，制备方法包括将石墨烯片和三氯化铁分别放置于相互连接相通的玻璃管和比色皿，用分子泵将玻璃管和比色皿抽成真空后用酒精灯密封住，加热到340摄氏度并保持6至24小时，降温到常温。原位显微拉曼表征系统包括内含石墨烯片和三氯化铁的密闭相通的玻璃管和比色皿；一激光器；一拉曼光谱仪；一加热台；一升降台；一平移台；两振镜。本发明提供的石墨烯片/三氯化铁插层化合物的制备方法简单实用，原位显微拉曼表征系统可用来原位表征石墨烯片/三氯化铁插层化合物的显微拉曼光谱，并能原位监测石墨烯片/三氯化铁插层化合物的形成情况。
文档编号G01N21/65GK102156116SQ201110059829
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者历巧巧, 姬扬, 谭平恒, 赵伟杰, 韩文鹏 申请人:中国科学院半导体研究所