石墨烯量子点的宏量制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石墨稀制备方法，特别是涉及一种石墨稀量子点制备方法，应用于量子点合成技术领域。
【背景技术】
[0002]石墨稀量子点(Graphene quantum dot)是准零维的纳米材料，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著，具有许多独特的性质。这或将为电子学、光电学和电磁学领域带来革命性的变化。应用于太阳能电池、电子设备、光学染料、生物标记和复合微粒系统等方面。石墨烯量子点在生物、医学、材料、新型半导体器件等领域具有重要潜在应用。能实现单分子传感器，也可能催生超小型晶体管或是利用半导体激光器所进行的芯片上通讯用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等等。
[0003]由于边缘状态和量子局限，石墨烯量子点的形状和大小将决定它们的电学、光学、磁性和化学特性。大量获取特定边缘形状和均匀尺寸的石墨烯量子点是个难题。通常石墨烯量子点的制备方法主要分为两大类:自上而下和自下而上的方法。自下而上的方法是通过物理或化学的方法将大尺寸的石墨烯薄片切割成小尺寸的石墨烯量子点，包括水热法、电化学方法和化学法剥离碳纤维等方法；自下而上的方法是以小分子作为前体通过一系列化学反应制备石墨烯量子点，主要有超声法和微波法、溶液化学法。水热法其碳源一般为氧化石墨烯，其制备过程复杂且需要较多试剂；电化学方法的碳源一般为石墨棒，使得石墨的前期处理比较复杂，后续实验中石墨烯量子点的纯化透析步骤较为复杂且耗时长；化学溶液法的实验步骤较为复杂，实验过程中实验条件较难控制。因此，寻找一种简单的石墨烯量子点宏量制备方法迫在眉睫。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种石墨烯量子点的宏量制备方法，采用纳米金属粒子作为催化剂，通过简单的涂覆使之附着于基片上，通过CVD法制备石墨烯量子点，本发明制备工艺简单易行，且可以通过金属催化剂粒子的尺度控制石墨烯量子点的尺寸，提高了产率，降低了成本。
[0005]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种石墨烯量子点的宏量制备方法，包括如下步骤:
a.采用分散剂制备纳米金属催化剂的分散液，采用的纳米金属催化剂的粒子直径为2-100nm，分散液的纳米金属粒子的浓度为0.01%-30wt% ;优选在分散液制备过程中采用机械搅拌、超声分散和加热等辅助分散手段中的任意一种或任意几种的组合；纳米金属催化剂优选为纳米铜、纳米镲、纳米钼和纳米金中的任意一种或任意几种金属的合金纳米粒子；分散剂优选采用脂肪酸类、脂肪族酰胺类、酯类、石蜡类、金属皂类和低分子蜡类的任意一种或任意几种分散剂的混合物； b.将在步骤a中制备的含有纳米金属催化剂的分散液涂覆于基片上，然后干燥固化，从而在基片上涂覆形成分散液薄膜层；优选在基片上涂覆形成的分散液薄膜层的厚度小于10微米；优选通过旋涂法、浸渍涂布、印刷、凸凹涂布和凹版涂布方法中的任意一种或任意几种的组合方法，将含有纳米金属催化剂的分散液涂覆于基片上；干燥固化的方法优选采用自然固化、加热固化或非氧化气氛加热固化方法；优选采用的基片为蓝宝石、硅片GaN外延片、硅片、玻璃片、氧化铝片、氧化铟锡片、掺氟氧化锌片或柔性基片；
c.将在步骤b中制备的涂覆有分散液薄膜层的基片置于化学气相沉积系统中，在300-1100°C条件下通入还原性气体，去除基片上固化的分散液薄膜层中的分散剂，在基片上形成均匀分布于的纳米金属催化剂颗粒；化学气相沉积系统优选采用热CVD炉、PECVD炉或微波辅助CVD炉；化学气相沉积系统最好还包含有预热炉；
d.在300-1100°C条件下，向化学气相沉积系统中通入碳源及还原气体，在步骤c中制备的纳米金属催化剂颗粒上负载生成石墨烯量子点，控制所制备的石墨烯量子点具有1-5层单原子石墨层；作为优选的技术方案，碳源采用气体碳源，具体优选采用甲烷、乙炔或乙烯；或者碳源采用固体碳源，具体优选采用尿素、草或饼干；或者碳源至少优选采用笨液态碳源；
e.将在步骤d中制备的附着生成石墨烯量子点的基片在还原性气氛中冷却至室温，取出基片置于纳米金属刻蚀液中，使金属催化剂颗粒完全溶解后，石墨烯量子点与基片分离，获得悬浮于溶液中的石墨烯量子点，再经过分离纯化后，即制得石墨烯量子点；刻蚀液优选采用盐酸、硫酸、硝酸铁、过硫酸铵、氢氟酸、冰醋酸和硝酸中的任意一种或任意一种的混合液，刻蚀工艺为一道或多道刻蚀。
[0006]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明采用涂覆纳米金属催化剂分散液后采用CVD法宏量制备石墨烯量子点，通过控制纳米金属催化的粒径来控制石墨烯量子点的尺寸，简单可控；
2.本发明采用CVD法实现石墨烯量子点的宏量制备，产率高，成本低；
3.本发明不同于传统CVD法制备石墨烯之处仅在于增加了纳米金属粒子分散液的涂覆工艺，工艺简单易行，易于推广。
【附图说明】
[0007]图1是本发明实施例一石墨烯量子点的宏量制备方法的流程图。
[0008]图2是本发明实施例一石墨烯量子点的宏量制备方法的示意图。
【具体实施方式】
[0009]本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中，参见图1和图2，一种石墨烯量子点的宏量制备方法，包括如下步骤:
a.采用铜粉作为纳米金属催化剂1，将平均粒径为15nm的纳米铜粉0.05 g放入50mL的乙醇溶液中，加入5wt.%的PVP分散剂5，在300 W超声清洗机中进行分散，制得纳米铜粉的分散液；
b.在清洗后的蓝宝石基片上旋涂一层分散液，180°CImin烘干，从而在蓝宝石的基片3上涂覆形成分散液薄膜层2，分散液薄膜层2中均匀分布着纳米铜颗粒；
c.将蓝宝石基片置于热CVD炉中，抽真空至反应室中压强降至0.1帕斯卡以下，通入氢气，流量为20sCCm，升温至500°C，压强100帕斯卡下保温20分钟，保持气体流速不变，加热至300°C，通入氢气，彻底去除乙醇与PVP ；
d.通入甲烷流量为lOsccm，氢气lOsccm，升温至1000°C，压强200帕斯卡下保温10分钟，切断甲烷，在氢气流量不变的条件下冷却至室温，在纳米铜粉颗粒上负载生成石墨烯量子点4 ；
e.采用硝酸铁纳米金属刻蚀液6中，取出步骤d所得蓝宝石/铜/石墨烯量子点的结合体，置于浓度为0.lg/ml的硝酸铁溶液中，待金属催化剂铜完全溶解后，萃取石墨烯量子点4至目标分散液中。
[0010]在本