[发明专利]一种大面积优质氮掺杂石墨烯及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯领域，具体涉及一种大面积优质氮掺杂石墨烯及其制备方法与应用。

背景技术

石墨烯由于其准二维的晶体结构而具有诸多优异的性能，在当今已经引起了科研人员们极大的兴趣。理想的单层石墨烯其电学性能与六角布里渊区域最高点附近的波矢量成线性关系，在室温下具有微弱的量子霍尔效应和沿着弹道传输的双极性的电场效应。正是由于石墨烯这些独特的性能，其在微电子器件、有机光电材料、储能材料、复合材料、生物医药材料等领域具有很好的应用前景，因此大规模制备具有优质晶体结构的石墨烯在近年也引起了巨大的热潮。除了最初的机械剥离法制备石墨烯以外，科学家们又发明了其它众多方法，例如目前制备大面积优质石墨烯的主要方法为化学气相沉积法(CVD)等。

若要在微电子、生物传感等领域有效的利用石墨烯，其电学性能在基于石墨烯的电学器件中具有重要影响。由于理想的单层石墨烯其能带结构是零带隙的，这也影响了其优异的电学性能的应用，因此科学家们试图通过各种物理或者化学的方法改变石墨烯的结构。实验证明杂原子掺杂是改变其结构的有效手段。到目前为止，制备氮掺杂石墨烯的方法主要有利用氨气辅助的CVD法(Wei,D.；Liu,Y.；Wang,Y.；Zhang,H.；Huang,L.Yu,G.Nano Lett.2009,9,1752-1758)、氨气中热退火还原氧化石墨烯法(Li,X.；Wang,H.；Robinson,J.；Sanchez,H.；Diankov,G.；Dai,H.J.Am.Chem.Soc.2009,131,15939-15944)、利用小分子吡啶在金属基底表面生长法(Jin,Z.；Yao,J.；Kittrell,C.；Tour,J.ACS nano,2011,5,4112-4117.Xue,Y.；Wu,B.；Jiang,L.；Guo,Y.；Huang,L.；Chen,J.；Tan,J.；Geng,D.；Luo,B.；Hu,W.；Yu,G.；Liu,Y.J.Am.Chem.Soc.2012,134,11060-11063)以及石墨烯的氮等离子体掺杂法等(Wang,C.；Zhou,Y.；He,L.；Ng,T.；Hong,G.；Wu,Q.；Gao,F.；Lee,C.；Zhang,W.Nanoscale,2013,5,600-605.)。其中，利用甲烷与氨气或者吡啶等作为碳源和氮源在金属基底表面制备石墨烯是最常用且有效的方法，通常铜或镍是制备过程中主要的催化剂。然而，采用上述方法制备氮掺杂石墨烯存在一些问题。例如，掺杂效率低、石墨烯晶格缺陷密度较高、薄膜的厚度和连续性无法控制、场效应晶体管器件的n型电学性能较低等(Zhang,C.Fu,L.；Liu,N.；Liu,M.；Wang,Y.；Liu,Z.Adv.Mater.2011,23,1020-1024)。氮元素的掺杂程度和掺杂效果是决定石墨烯是否在空气中表现出明显n型电学特征的一个重要因素，因为石墨烯在空气中容易吸附水、氧气等小分子而中和了其n型电学特征。高氮掺杂程度的石墨烯通常很难得到，因为反应温度越高越有利于C-C键的形成，不利于C-N键的形成。而另一方面，具有优质晶体结构的石墨烯薄膜通常需要在较高的温度下制备。因此，寻找一种制备既具有较高含氮量又具有优质晶体结构的氮掺杂石墨烯成为了该领域的研究热点。这种技术将具有工艺简单、操作方便等优点，对降低石墨烯的生产成本，实现石墨烯在高性能光电子器件等方面的应用具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种既具有较高含氮量又具有优质晶体结构的大面积连续的氮掺杂石墨烯及其制备方法。

本发明所提供的大面积优质氮掺杂石墨烯的制备方法，包括如下步骤：将碳氮源涂覆于铜催化剂表面或置于铜催化剂上，然后放入持续通入非氧化性气体的反应器中，在600～900℃条件下进行反应，得到沉积在所述铜催化剂表面的大面积优质氮掺杂石墨烯。

上述制备方法中，所述铜催化剂可为铜单质、铜合金或含铜化合物。

所述铜单质具体可为铜箔、铜粉或铜块等所有铜单质中的至少一种；所述铜合金具体可为铜铝、铜镍、铜锰、铜锡、铜铅、铜铁或铜锌等所有含有铜元素的合金中的至少一种；所述含铜化合物具体可为氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜、硫酸铜或氯化铜等所有含铜元素的化合物中的至少一种。

当铜催化剂以片状、块状、箔状等形式存在时，可直接放入反应器中使用或放在衬底(石英舟或者石英片)上使用。