一種簡易制備n型石墨烯場效應管的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種簡易制備N型石墨烯場效應管的方法。以化學氧化制備的氧化石墨烯為原料，包括將氧化石墨烯片在基底上旋涂成薄膜，通過光照實現氮摻雜石墨烯的方法。將氟化石墨烯薄膜在NH3氣（流量為10torr～30torr）氛圍下，通過使用65到75mJ/cm2能量的激光或汞燈能選擇的區(qū)域位置進行光照，光照時間在5～60分鐘范圍內，通過光照同時實現還原和氮原子的摻雜。本發(fā)明操作方便、成本低、能大批量制備，本發(fā)明通過光照時間、強度和摻氟濃度，以達到調控氮摻雜含量、石墨烯的導電率和帶隙以及實現N型石墨烯場效應管的效果。
【專利說明】 一種簡易制備N型石墨烯場效應管的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種結構與性能可控的宏量石墨烯材料的簡易制備方法，特別是一種采用簡單光照摻雜氮的方法，獲得基于還原氧化石墨烯的N型場效應管產品。

【背景技術】
[0002]石墨烯具有理想的二維晶體結構賦予其光、電、磁、熱等許多獨特的物理化學性質，從而引起凝聚態(tài)物理，化學和材料科學等領域的廣泛關注。但是，由于石墨烯是零帶隙半導體，而且目前石墨烯通常采用微機械剝離、化學氣相沉積和外延生長法制備，這些方法得到的石墨烯尺寸不易控制，無法得到均勻的大面積石墨烯，同時存在高成本和低效率等缺點。然而，通過氧化石墨烯(GO)的還原來制備石墨烯(RGO)因其成本低、可大批量制備，方法簡便等特點被廣泛采用?？紤]到GO幾乎呈電絕緣性，這也就限制了氧化石墨烯的進一步應用。而面臨的一個主要問題就是如何較大程度的恢復其sp2結構。對于RGO而言，由于在環(huán)境中吸附含氧官能團，RGO通常表現為P型。因此，對于器件來說發(fā)展N型半導體石墨烯就顯得尤為重要。
[0003]實驗表明通過氮摻雜改變石墨烯的帶隙以及其導電性能是非常常見的方法之一。而且GO氧化過程中引入的諸多含氧官能團為石墨烯進一步的功能化改性提供了大量活性位點。同時，氮摻雜石墨烯是N型半導體材料，在微電子技術上具有良好的應用前景。到目前為止，進行石墨烯氮摻雜的方式有很多，典型的有氣相沉積，電弧放電，等離子體處理和熱退火等方式。但是遺憾的是，這些方法摻氮量一般不超過10 at.%，而且工藝復雜，對于調控石墨烯的帶隙效果不太顯著。基于此，本發(fā)明找到了一種快速節(jié)能的摻氮石墨烯實現N型場效應管的制備方法。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是針對現有技術中存在的不足，提供一種簡易制備N型石墨烯場效應管的方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明以化學氧化制備的氧化石墨烯為原料，將氧化石墨烯片在基底上旋涂成薄膜，利用含氧官能團為石墨烯進一步的功能化改性提供了大量活性位點促進N原子的摻雜，其氮摻雜的含量高達16 at.%，
在NH3氣(流量為1torr?30torr)氛圍，光照條件下，對GO薄膜進行氮摻雜還原，氮含量能達到16%。
[0006]具體步驟為:
(I)將6-10g鱗片石墨、6-10g硝酸鈉和350-400mL市售的濃硫酸冰浴混勻；然后緩慢加入45-55g高錳酸鉀，磁力攪拌混勻后在35攝氏溫度中加熱2小時；接著加入320mL去離子水攪拌15分鐘，再加入800 mL去離子水和40 mL H2O2攪拌10分鐘，得到綠色懸浮液。
[0007](2)將步驟(I)得到的綠色懸浮液加入0.0001mol/L的稀硝酸溶液進行清洗，然后HOOOrpm的離心速度離心獲得沉淀。
[0008](3)重復步驟(2 ) 2-3 次。
[0009](4)將步驟(3)得到的懸浮液再加入去離子水，HOOOrpm高速離心得到沉淀。
[0010](5)重復步驟(4)加入去離子水再離心的過程10遍，確保不含有其他雜質，得到氧化石墨烯溶液。
[0011](6)將步驟(5)得到的氧化石墨烯溶液利用冷凝干燥機干燥，得到氧化石墨烯粉末。
[0012](7)將步驟(6)得到的氧化石墨烯粉末與質量百分比濃度為80-90%的乙醇，配置溶液濃度為lmg/mL，超聲輔助，超聲時間25-35分鐘，得到分散較好的氧化石墨烯-乙醇溶液；通過旋涂的方法在0.3-0.8mm Si02/Si基片上將氧化石墨烯-乙醇溶液有序組裝成大面積氧化石墨烯薄膜(G0薄膜)，S12層厚度為200-500納米，GO薄膜的含氧量較高，其中氧碳原子比為2:5 ;其中GO薄膜的厚度為30-100納米。
[0013](8)將步驟(7)所制得的GO薄膜放入一個石英舟里面，再將石英舟放入自制備的光照還原裝置中，該裝置由一能封閉、能通氣體的透明容器，上方放上光源，光源的頻譜范圍在200nm至760nm之間，光源為單色光或白光；G0薄膜在流量為1torr?30torr的NH3氣氛圍下，通過使用65到75 mj/cm2能量的激光或汞燈能選擇的區(qū)域位置進行光照，通過光照還原時產生脫氟效應，光源對GO薄膜實現全覆蓋，經過5?60分鐘的光照時間，即制得氮摻雜石墨烯薄膜。
[0014](9)在大氣氛圍中，取下步驟(9)透明容器一側的管道，取出氮摻雜石墨烯薄膜，氮摻雜石墨烯薄膜去除了大部分含氧基團。
[0015](10)將步驟(9)所制備的氮摻雜石墨烯薄膜上分別蒸鍍金電極做為源電極和漏電極，另外，在Si02/Si底端鍍上金電極作為柵電極。
[0016]本發(fā)明操作方便、成本低、能大批量制備，本發(fā)明通過光照時間、強度和摻氟濃度，以達到調控氮摻雜含量以及石墨烯的導電率和帶隙的效果。具體采用光照還原摻雜方法實現N型石墨烯半導體薄膜電導和能帶的調控，在透明電極，傳感器，薄膜晶體管，超級電容器，場發(fā)射，太陽能電池等領域有著很好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實施例所制得的氧化石墨烯片的透射電鏡圖。
[0018]圖2為本發(fā)明實施例所制得的氮摻雜石墨烯薄膜表面掃描電鏡圖。
[0019]圖3為本發(fā)明實施例所制得的氮摻雜石墨烯薄膜截面掃描電鏡圖。
[0020]圖4為本發(fā)明實施例所制得的N型場效應管示意圖。
[0021]圖中標記:1_源電極；2_漏電極；3_氮慘雜石墨烯薄膜；4_ S12 ;5_ Si ;6-柵電極。
[0022]圖5為本發(fā)明實施例所測試的N型場效應管圖。

【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明獲國家自然科學基金青年基金項目(NO: 11304051)、中國博士后基金(N0:2014M551545)和廣西自然科學基金(2014GXNSFBA118021)支持。
[0024]下面以實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不局限于這些實施例。
[0025]實施例:
(I)將Sg鱗片石墨、Sg硝酸鈉和384mL市售的濃硫酸冰浴混勻；然后緩慢加入48g高猛酸鉀，磁力攪拌混勻后在35攝氏溫度中加熱2小時；接著加入320mL去離子水攪拌15分鐘，再加入800 mL去離子水和40 mL H2O2攪拌10分鐘，得到綠色懸浮液。
[0026](2)將步驟(I)得到的綠色懸浮液加入0.0001mol/L的稀硝酸溶液進行清洗，然后HOOOrpm的離心速度離心獲得沉淀。
[0027](3)重復步驟(2) 3次。
[0028](4)將步驟(3)得到的懸浮液再加入去離子水，HOOOrpm高速離心得到沉淀。
[0029](5)重復步驟(4)加入去離子水再離心的過程10遍，確保不含有其他雜質，得到氧化石墨烯溶液。
[0030](6)將步驟(5)得到的氧化石墨烯溶液利用冷凝干燥機干燥，得到氧化石墨烯粉末。
[0031](7)將步驟(6)得到的氧化石墨烯粉末與質量百分比濃度為90%的乙醇，配置溶液濃度為lmg/mL，超聲輔助，超聲時間30分鐘，得到分散較好的氧化石墨烯-乙醇溶液；通過旋涂的方法在0.5mm Si02/Si基片上將氧化石墨烯-乙醇溶液有序組裝成大面積氧化石墨烯薄膜(G0薄膜)，S12層厚度為500納米，GO薄膜的含氧量較高，其中氧碳原子比為2:5 ；其中GO薄膜的厚度為50納米。
[0032](8)將步驟(7)所制得的GO薄膜放入一個石英舟里面，再將石英舟放入自制備的光照還原裝置中，該裝置由一能封閉、能通氣體的透明容器，上方放上光源，光源的頻譜范圍在200nm至760nm之間，光源為白光；G0薄膜在流量為20torr NH3氣氛圍下，通過使用65到75 mj/cm2能量的激光能選擇的區(qū)域位置進行光照，通過光照還原時產生脫氟效應，光源對GO薄膜實現全覆蓋，經過30分鐘的光照時間，即制得氮摻雜石墨烯薄膜。
[0033](9)在大氣氛圍中，取下步驟(9)透明容器一側的管道，取出氮摻雜石墨烯薄膜，氮摻雜石墨烯薄膜去除了大部分含氧基團。
[0034](10)將步驟(9)所制備的氮摻雜石墨烯薄膜上分別蒸鍍金電極做為源電極和漏電極，另外，在Si02/Si底端鍍上金電極作為柵電極，如圖4所示。
[0035]用臺階儀測量還原石墨烯薄膜的厚度，四探針法測量其電導率，場效應特征測量其導電類型以及導電電子遷移率，能作為場效應管或者太陽能電池的透明導電電極使用。
[0036]測試結果為:氮摻雜石墨烯薄膜的電導率為120 S/cm，為N型半導體，其中載流子遷移率為7.08 cmW1。
[0037]在不同還原氣氛中，改變光照時間和光照強度，前驅GO薄膜的氧含量，其他條件不變的前提下，得到不同的電導率。
【權利要求】
1.一種簡易制備N型石墨烯場效應管的方法，其特征在于具體步驟為: (1)將6-10g鱗片石墨、6-10g硝酸鈉和350-400mL市售的濃硫酸冰浴混勻；然后緩慢加入45-55g高錳酸鉀，磁力攪拌混勻后在35攝氏溫度中加熱2小時；接著加入320mL去離子水攪拌15分鐘，再加入800 mL去離子水和40 mL H202攪拌10分鐘，得到綠色懸浮液； (2)將步驟(1)得到的綠色懸浮液加入0.0OOlmol/L的稀硝酸溶液進行清洗，然后14000rpm的離心速度離心獲得沉淀； (3)重復步驟(2)2-3次； (4)將步驟(3)得到的懸浮液再加入去離子水，14000rpm高速離心得到沉淀； (5)重復步驟(4)加入去離子水再離心的過程10遍，確保不含有其他雜質，得到氧化石墨烯溶液； (6)將步驟(5)得到的氧化石墨烯溶液利用冷凝干燥機干燥，得到氧化石墨烯粉末； (7)將步驟(6)得到的氧化石墨烯粉末與質量百分比濃度為80-90%的乙醇，配置溶液濃度為lmg/mL，超聲輔助，超聲時間25-35分鐘，得到分散較好的氧化石墨烯-乙醇溶液；通過旋涂的方法在0.3-0.8mm Si02/Si基片上將氧化石墨烯-乙醇溶液有序組裝成大面積氧化石墨烯薄膜即GO薄膜，Si02層厚度為200-500納米，GO薄膜的含氧量較高，其中氧碳原子比為2:5 ;其中GO薄膜的厚度為30-100納米； (8)將步驟(7)所制得的GO薄膜放入一個石英舟里面，再將石英舟放入自制備的光照還原裝置中，該裝置由一能封閉、能通氣體的透明容器，上方放上光源，光源的頻譜范圍在200nm至760nm之間，光源為單色光或白光；G0薄膜在流量為lOtorr?30torr的NH3氣氛圍下，通過使用65到75 mj/cm2能量的激光或汞燈能選擇的區(qū)域位置進行光照，通過光照還原時產生脫氟效應，光源對GO薄膜實現全覆蓋，經過5?60分鐘的光照時間，即制得氮摻雜石墨烯薄膜； (9)在大氣氛圍中，取下步驟(9)透明容器一側的管道，取出氮摻雜石墨烯薄膜，氮摻雜石墨烯薄膜去除了大部分含氧基團； (10)將步驟(9)所制備的氮摻雜石墨烯薄膜上分別蒸鍍金電極做為源電極和漏電極，另外，在Si02/Si底端鍍上金電極作為柵電極。
【文檔編號】H01G11/86GK104370282SQ201410561468
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權日:2014年10月21日
【發(fā)明者】李新宇, 肖劍榮, 唐濤, 李明, 文劍鋒 申請人:桂林理工大學