全文摘要
本发明涉及石墨烯加工领域，特别是一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，其包括如下步骤：a.配置碳源溶液；b.制作碳源衬板；c.将所述碳源衬板固定装夹至激光加工系统的运动平台，并保证所述碳源衬板与空气完全隔绝；d.利用紫外激光对所述碳源衬板进行加工；e.取出样品，干燥，得到石墨烯。利用紫外激光对处于掺杂源液体保护下的有机碳层聚酰亚胺涂层进行加工，通过高能量密度的紫外激光打断聚酰亚胺碳链的化学键，并把原子掺杂进重构生成的石墨烯里，生成图案化掺杂石墨烯。该方法生成的掺杂石墨烯存在能量带隙，制备石墨烯和石墨烯掺杂都在同一操作完成，生产效率高、成本低，在微电子器件制造方面具有广泛的应用潜力。
主设计要求
1.一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：a.配置碳源溶液；b.制作碳源衬板，取适合大小的底板，在底板上表面涂设所述碳源溶液形成层结构，并放入真空干环境下完成干燥；c.将所述碳源衬板固定装夹至激光加工系统的运动平台，并保证所述碳源衬板与空气完全隔绝；d.将碳源衬板校正定位至紫外激光头的正下方，并设计好紫外激光加工的图案和加工参数；启动紫外激光加工系统利用紫外激光对所述碳源衬板进行加工；e.取出紫外激光加工完成的样品，放入烘干机中进行干燥，得到石墨烯；所述步骤a中碳源溶液由含有苯环的有机碳源与无水乙醇按照体积比1:1充分混合后制得；所述步骤b中制作碳源衬板的具体步骤为：将底板放置在匀胶机的工作台上，用移液器取上述配置好的碳源溶液滴在底板上表面，设置匀胶机参数为低转速为400转\/分钟、高转速为1000转\/分钟，旋涂时间为50秒，完成有机碳层的加工；所述有机碳层的厚度为100-150μm，所述紫外激光波长为355nm；所述步骤b中，将完成有机碳层涂设后的碳源衬板放入真空度为0.1kPa，温度为60℃的真空干燥箱内固化30分钟；所述步骤c中将所述碳源衬板固定装夹至激光加工系统的运动平台，并保证所述碳源衬板与空气完全隔绝的具体步骤为：c1.将所述碳源衬板固定在溶液槽底部；c2.向溶液槽内加入掺杂源溶液，并完全浸没所述碳源衬板；c3.将所述溶液槽固定装夹至激光加工系统的运动平台上；所述掺杂源溶液为25％的氨水溶液；溶液槽内掺杂源溶液的液面比所述碳源衬板的上表面高出2-3mm。
设计方案
1.一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.配置碳源溶液；
b.制作碳源衬板，取适合大小的底板，在底板上表面涂设所述碳源溶液形成层结构，并放入真空干环境下完成干燥；
c.将所述碳源衬板固定装夹至激光加工系统的运动平台，并保证所述碳源衬板与空气完全隔绝；
d.将碳源衬板校正定位至紫外激光头的正下方，并设计好紫外激光加工的图案和加工参数；启动紫外激光加工系统利用紫外激光对所述碳源衬板进行加工；
e.取出紫外激光加工完成的样品，放入烘干机中进行干燥，得到石墨烯；
所述步骤a中碳源溶液由含有苯环的有机碳源与无水乙醇按照体积比1:1充分混合后制得；
所述步骤b中制作碳源衬板的具体步骤为：将底板放置在匀胶机的工作台上，用移液器取上述配置好的碳源溶液滴在底板上表面，设置匀胶机参数为低转速为400转\/分钟、高转速为1000转\/分钟，旋涂时间为50秒，完成有机碳层的加工；
所述有机碳层的厚度为100-150μm，所述紫外激光波长为355nm；
所述步骤b中，将完成有机碳层涂设后的碳源衬板放入真空度为0.1kPa，温度为60℃的真空干燥箱内固化30分钟；
所述步骤c中将所述碳源衬板固定装夹至激光加工系统的运动平台，并保证所述碳源衬板与空气完全隔绝的具体步骤为：c1.将所述碳源衬板固定在溶液槽底部；c2.向溶液槽内加入掺杂源溶液，并完全浸没所述碳源衬板；c3.将所述溶液槽固定装夹至激光加工系统的运动平台上；
所述掺杂源溶液为25％的氨水溶液；溶液槽内掺杂源溶液的液面比所述碳源衬板的上表面高出2-3mm。
2.根据权利要求1所述的一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤b中所述底板由铜、铝、铁或硅制成。
3.根据权利要求1所述的一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤c1中，利用真空吸盘将碳源衬板吸附固定在溶液槽底部；所述步骤c3中，用真空吸盘将所述溶液槽固定装夹至激光加工系统的运动平台。
4.根据权利要求1所述的一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤e中，取出紫外激光加工完成的样品，放入温度为60℃的烘干机中干燥30分钟。
设计说明书
技术领域
本发明涉及石墨烯加工领域，特别是一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯被认为可能是取代硅材料的下一代微电子材料。二维结构的石墨烯中的低杂质浓度会使电子产生高速弹道传输，从而使之可用于电子快速反应开关。但是，在电子器件中，必须靠栅极电压来控制材料的导电性，进而产生开关功能。而由于石墨烯零带隙的特性，其出色的导电性无法像传统的硅基半导体材料那样随电压的变化而发生明显变化，因此，石墨烯在逻辑电路上的应用仍然存在较大的困难。
由于石墨烯的能带结构对晶格对称性非常敏感，所以通过破坏石墨烯晶格的对称性，有望打开石墨烯的带隙。最近几年，许多研究者采取这种手段来改变石墨烯的能带结构、打开带隙，诸如外加电场或磁场、不同的堆叠方式、施加应力、物理吸附分子、晶格原子替换、周期性打孔等等。
目前，通过晶格掺杂制备带掺杂石墨烯，主要依靠先采用化学气相沉积方法制备大面积的石墨烯，并在制备的过程或者在后处理中，通过引入不同的反应源，将石墨烯晶格结构中的部分碳原子用其他原子替代，形成晶格掺杂的石墨烯。中国专利CN103359709A公开了一种通过化学过程实现氮掺杂石墨烯的制备的方法，首先将石墨烯在浓硫酸和高锰酸钾中进行氧化，获得氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯与含氮化合物、还原剂等均匀混合，在一定条件下还原生成氮掺杂石墨烯。该方案的操作步骤繁多、实验环境要求严格，制备掺杂石墨烯的生产周期长，且无法控制掺杂区域。中国专利CN104217931A公开了一种石墨烯掺杂的方法和由该方法得到的石墨烯，首先在石墨烯器件表面的石墨烯层上形成聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后通过原子力显微镜的导电针尖向选定的石墨烯区域导入电荷进行掺杂，选择地形成需要掺杂的石墨烯区域。该方法形成聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的过程繁琐，而且该薄膜的质量影响掺杂效果，原子力显微镜导电针操作困难，移动范围极为有限，加工效率低。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出生产效率高、成本更低的一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，其包括如下步骤：
a.配置碳源溶液；b.制作碳源衬板，取适合大小的底板，在底板上表面涂敷所述碳源溶液形成层结构，并放入真空干环境下完成干燥；c.将所述碳源衬板固定装夹至激光加工系统的运动平台，并保证所述碳源衬板与空气完全隔绝；d.将碳源衬板校正定位至紫外激光头的正下方，并设计好紫外激光加工的图案和加工参数；启动紫外激光加工系统利用紫外激光对所述碳源衬板进行加工；e.取出紫外激光加工完成的样品，放入烘干机中进行干燥，得到石墨烯。
更优的，所述步骤a中碳源溶液由含有苯环的有机碳源与无水乙醇按照体积比1:1充分混合后制得。含有苯环的有机碳源很多，能在紫外激光的激发下更容易为石墨烯制备过程提供有机碳源；常见的如聚酰亚胺、聚苯乙烯、PDMS等等，但不局限于采用聚酰亚胺作为碳源。
更优的，所述步骤b中所述底板由铜、铝、铁或硅制成。所述底板的大小根据加工制备的石墨烯大小来选取，所述衬板的作用主要为有机碳源提供一个支撑面，但具体制作材料不局限于铜、铝、铁或硅。
更优的，所述步骤b中制作碳源衬板的具体步骤为：将底板放置在匀胶机的工作台上，用移液器取上述配置好的碳源溶液滴在底板上表面，设置匀胶机参数为低转速为400转\/分钟、高转速为1000转\/分钟，旋涂时间为50秒，完成有机碳层的加工。采用上述设备和参数可进一步保证了所述溶液衬板上碳源层的设置精度，为后续制备加工提供了原料保证。
更优的，所述有机碳层的厚度为100-150μm，所述紫外激光波长为355nm。所述有机碳层的厚度不易过薄也不易过厚，过薄了碳源量不够，过厚增加了紫外激光制备石墨烯的难度，影响加工精度。
更优的，所述步骤b中，将完成有机碳层涂设后的碳源衬板放入真空度为0.1kPa，温度为60℃的真空干燥箱内固化30分钟。能保证所述碳源衬板固化后形成的有机碳层厚度均匀，干燥程度适中，在紫外激光的激发加工下制备石墨烯的效率更快，精度更高。
更优的，所述步骤c中将所述碳源衬板固定装夹至激光加工系统的运动平台，并保证所述碳源衬板与空气完全隔绝的具体步骤为：c1.将所述碳源衬板固定在溶液槽底部；c2.向溶液槽内加入掺杂源溶液，并完全浸没所述碳源衬板；c3.将所述溶液槽固定装夹至激光加工系统的运动平台上。
由于所述碳源衬板处于含掺杂源溶液的包围下，与外界空气隔绝，在生成石墨烯的过程中，可以使掺杂元素例如氮原子，直接与碳原子一起发生重构，生成带掺杂的石墨烯。通过该方法可以直接得到掺杂石墨烯，而不需要将石墨烯的制备和掺杂分开进行，工艺简单，加工效率高；该方法采用紫外激光聚焦后直接加工，分辨率高，能够灵活地在指定位置实现图案化掺杂。
更优的，所述掺杂源溶液为25％的氨水溶液；溶液槽内掺杂源溶液的液面比所述碳源衬板的上表面高出2-3mm。所述掺杂源溶液可以为氨水，但是并不局限于氨水。所述掺杂溶液可以根据加工的需要而采用不同溶液，例如，用于掺杂磷元素时为磷酸溶液，用于掺杂钾元素时为氯化钾溶液等等。所述浓掺杂源溶液的液面不适宜太高，否则紫外激光穿过浓氨水照射至碳源衬板上时能量损耗太大，无法完成掺杂；液面太低时，对样品的保护效果又不佳，影响加工质量。
更优的，所述步骤c1中，利用真空吸盘将碳源衬板吸附固定在溶液槽底部；所述步骤c3中，用真空吸盘将所述溶液槽固定装夹至激光加工系统的运动平台。采用真空吸盘来固定所述溶液槽、碳源衬板和激光加工系统的运动平台；能在保证三者稳定安装的同时，能简化安装操作，减小安装空间。
更优的，所述步骤e中，取出紫外激光加工完成的样品，放入温度为60℃的烘干机中干燥30分钟。
本发明提供的一种通过紫外光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，首先将待加工的样品浸入含有掺杂元素的液体中，隔绝空气中其他杂质气体的影响；然后采用紫外激光，通过高能量密度的紫外激光脉冲，直接打断原子间之间的化学键而不产生高温，并使得化学键被破坏的原子发生重构，直接在有机碳层上加工出石墨烯；同时，由于其处于含掺杂元素液体的包围下，在生成石墨烯的过程中，可以直接得到掺杂特定元素的石墨烯。通过该方法可以直接得到掺杂石墨烯，而不需要将石墨烯的制备和掺杂分开进行，工艺简单，加工效率高；该方法采用紫外激光聚焦后直接加工，分辨率高，能够灵活地在指定位置实现图案化掺杂；此外，紫外激光加工属于一种冷加工方式，不会产生高温，适合用各种液体作为掺杂源，加工质量高。
本发明中采用的紫外激光系统为常规的现有紫外激光加工系统，主要包括紫外激光发生器、透镜和振镜。加工时紫外激光的波长为355nm，通过在计算机系统上设计紫外激光加工的图形，然后通过紫外激光系统中转镜和透镜调节光路，将紫外激光聚焦到加工样品上，并通过振镜和精密运动平台的配合移动光斑，在待加工样品上指定位置加工出掺杂石墨烯；所述碳源衬板的周围有掺杂源液体进行保护，可以直接在空气中加工，避免了抽真空、充保、护气等繁琐步骤，操作简便快捷，生产效率高，便于工业生产和实现大规模应用。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的组装结构结构图；
图2是本发明的一个实施例中一种通过紫外光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法的流程示意图；
图3是石墨烯掺杂其他原子前后的对比示意图。
其中：底板1，有机碳层2，溶液槽3，小型真空吸盘4，氨水溶液5，紫外激光6，石墨烯7，真空吸盘8，激光加工系统的运动平台9。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-2所示，一种通过紫外激光快速制备图案化掺杂石墨烯的方法，其包括如下步骤：
a.配置碳源溶液；所述步骤a中碳源溶液由聚酰亚胺与无水乙醇按照体积比1:1充分混合后制得。
b.制作碳源衬板，取适合2cmx2cm的底板1，述底板1由铜制成；将底板1放置在匀胶机的工作台上，用移液器取上述配置好的碳源溶液滴在底板上表面，设置匀胶机参数为低转速为400转\/分钟、高转速为1000转\/分钟，旋涂时间为50秒，完成有机碳层2的加工；将完成有机碳层2涂设后的碳源衬板放入真空度为0.1kPa，温度为60℃的真空干燥箱内固化30分钟；得到有机碳层2的厚度为100-150μm的碳源衬板。
c1.利用小型真空吸盘将所述碳源衬板固定在溶液槽3底部。
c2.向溶液槽3内加入25％的氨水溶液5，并完全浸没所述碳源衬板；溶液槽3内氨水溶液5的液面比所述碳源衬板的上表面高出2-3mm。
c3.利用真空吸盘8将所述溶液槽3固定装夹至激光加工系统的运动平台9上。
d.将碳源衬板校正定位至紫外激光头的正下方，并设计好紫外激光加工的图案和加工参数；启动紫外激光加工系统利用紫外激光6对所述碳源衬板进行加工；所述紫外激光6波长为355nm。
e.取出紫外激光加工完成的样品，放入温度为60℃的烘干机中干燥30分钟，得到掺杂的石墨烯7。
如图3所示，为石墨烯在掺杂氮原子前后的对比效果图。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910054331.6
申请日:2019-01-21
公开号:CN109573990A
公开日:2019-04-05
国家:CN
国家/省市:81(广州)
授权编号:CN109573990B
授权时间:20191011
主分类号:C01B 32/184
专利分类号:C01B32/184
范畴分类:申请人:广东工业大学
第一申请人:广东工业大学
申请人地址:510006 广东省广州市大学城外环西路100号
发明人:陈云;龙俊宇;周双;陈新;高健;刘强;汪正平;张胜辉
第一发明人:陈云
当前权利人:广东工业大学
代理人:单蕴倩;梁永健
代理机构:44379
代理机构编号:佛山市禾才知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计