專利名稱：一種氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
[0002]石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能，且價(jià)廉易得，對環(huán)境友好，因此在透明電極領(lǐng)域展示出誘人的前景。然而，石墨烯膜被轉(zhuǎn)移到某些基底(例如，石英、玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料)上后，其電學(xué)性能有明顯的下降，從而限制了石墨烯膜在某些透明電極(例如，電子紙和發(fā)光二極管)中的應(yīng)用。最近研究表明，將石墨烯放置在六方結(jié)構(gòu)氮化硼(即h-BN)基底上的情況下，其導(dǎo)電性(更具體而言為載流子遷移率)有明顯的提高。但這種六方結(jié)構(gòu)氮化硼膜/石墨烯膜復(fù)合材料在有些情況下仍不能滿足導(dǎo)電性的需求。實(shí)用新型內(nèi)容[0003]為進(jìn)一步提高石墨烯的電導(dǎo)率，本實(shí)用新型提供了一種氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其包含兩個單層氮化硼膜和一個單層或多層石墨烯膜，其中所述石墨烯膜位于兩個氮化硼膜之間。[0004]在一個優(yōu)選實(shí)施方案中，上述氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)還包含一個絕緣基底，該絕緣基底貼覆于其中一個氮化硼膜上。[0005]本實(shí)用新型的氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠在不提高載流子密度的前提下，顯著提高石墨烯的電導(dǎo)率。


[0006]本實(shí)用新型的上述及其他的方面、優(yōu)點(diǎn)和特征將通過附圖進(jìn)一步說明，各附圖中相同的附圖標(biāo)記代表相同的組成部分。[0007]圖1為本實(shí)用新型的氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一個示意圖。[0008]圖2為本實(shí)用新型一個實(shí)施方案的石墨烯膜轉(zhuǎn)移的一個流程示意圖。[0009]圖3為本實(shí)用新型一個實(shí)施方案的氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制備過程。
具體實(shí)施方式
[0010]在本實(shí)用新型中，除非另有指明，術(shù)語“氮化硼(或氮化硼膜)”是指六方結(jié)構(gòu)氮化硼(或氮化硼膜)。[0011]下文將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。但應(yīng)理解的是，所述附圖僅為示例性的，不應(yīng)解釋為限制本實(shí)用新型的范圍。[0012]本實(shí)用新型提供了一種氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其包含兩個單層氮化硼膜和一個單層或多層石墨烯膜，其中所述石墨烯膜位于兩個氮化硼膜之間，即該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜。[0013]所述石墨烯膜為1-20層，優(yōu)選1-10層，更優(yōu)選1-5層。[0014]圖1展示了本實(shí)用新型的氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一個示意圖，其中該結(jié)構(gòu)由兩個單層氮化硼膜8和10和一個夾在這兩個氮化硼膜之間的單層或多層石墨烯膜9組成。氮化硼膜8和10可使用鍍覆法、化學(xué)氣相沉積(CVD)法和物理氣相沉積(PVD)法(例如濺射法)而制備，但不限于這些方法。優(yōu)選由CVD法制備。石墨烯膜9可由微機(jī)械分離法、化學(xué)剝離法、取向附生法、加熱碳化硅(SiC )法、CVD法和還原氧化法制備，但不限于這些方法。優(yōu)選由CVD法制備。在一個具體的實(shí)施方案中，由CVD法生長石墨烯膜的典型過程如下:將銅箔I在氬氣和氫氣環(huán)境下(其中Ar:約95體積份，H2:約5體積份)KKKTC預(yù)熱處理1.5小時。然后通入甲烷，進(jìn)行約20分鐘的碳分解，從而生長出石墨烯膜。生長過程中第一步將通過氣體流量和壓力來控制石墨烯的成核密度，第二步再加大氣體流量來獲得連續(xù)均勻的單層石墨烯膜。在另一個具體的實(shí)施方案中，由CVD法生長氮化硼膜的典型過程如下:使用氨基硼燒(aminoborane)作為氮和硼的來源,在1000°C溫度下由CVD法在金屬箔表面生長出氮化硼膜。石墨烯膜的層數(shù)可通過調(diào)節(jié)生長溫度和氣氛濃度來控制，因此可以根據(jù)需要，來生成合適層數(shù)的石墨烯膜。在本實(shí)用新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，氮化硼膜8和10的厚度為0.5_500nm，優(yōu)選
0.5-50nm,更優(yōu)選0.5_5nm ;石墨烯膜9的厚度為0.35-lOnm,優(yōu)選0.35_3nm。更優(yōu)選
0.35-2.1nm0石墨烯膜和氮化硼膜之間以及多個石墨烯膜之間可以通過壓制或抽真空而結(jié)合
在一起。所述氮化硼膜和石墨烯膜可為正方形、長方形等任何適宜的形狀。并且優(yōu)選它們的大小與形狀是相互匹配的。優(yōu)選地，本實(shí)用新型的氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)還包含一個絕緣基底，該絕緣基底貼覆于其中一個氮化硼膜上。優(yōu)選地，所述絕緣基底是透明的。所述絕緣基底可為無機(jī)絕緣材料、有機(jī)絕緣材料、及由這兩種材料經(jīng)過加工制成的混合絕緣材料。常用的無機(jī)絕緣材料有:云母、石棉、大理石、陶瓷、玻璃等。有機(jī)絕緣材料有:蟲I父、樹脂、橡I父等。對所述絕緣基底的厚度無特別要求，只要其足以支撐所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)即可。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施方案中，所述貼覆可按如下過程進(jìn)行:將待貼覆的膜放Λ FeCl3中，膜由于表面張力而平鋪于FeCl3的表面，用玻璃基底將其從FeCl3中撈起并使之平整無間隙地緊密貼覆于該基底表面；用同樣的方法，可以在貼覆有膜的基底上再貼覆一個或多個膜。圖2為本實(shí)用新型一個一個實(shí)施方案的石墨烯膜轉(zhuǎn)移的一個流程示意圖。在該實(shí)施方案中，在通過氣相沉積法生成于銅箔I上的石墨烯膜的一個暴露表面4上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(ΡΜΜΑ)5的保護(hù)層，以防止在石墨烯膜轉(zhuǎn)移過程中，銅箔被腐蝕后，石墨烯膜失去支撐而坍塌。用氧進(jìn)行等離子體刻蝕，除去銅箔上的另一個表面4’的石墨烯膜從而使銅箔I暴露出來，然后在Fe (NO3) 3腐蝕溶液6中腐蝕掉銅箔。[0029]在該實(shí)施方案中，將轉(zhuǎn)移后的石墨烯膜貼覆于一個基底材料表面，所述貼覆過程如下:將腐蝕掉銅箔I的PMMA/石墨烯膜清洗后，放入FeCl3溶液中，由于溶液的表面張力，其會張開并平鋪于溶液表面，然后將其用所需的基底材料7從溶液中撈起，石墨烯膜通過范德瓦爾斯力作用而與基底材料7緊密貼覆在一起。所述銅箔還可用鎳、鐵、鋅、鈷等及其任意結(jié)合，以及以這些金屬為主要成分的合金取代。涂覆保護(hù)層的方法包括旋涂、刮涂、棒涂、浸涂和噴涂等。所述腐蝕溶液示例性地包括酸、鹽的水溶液，所述鹽特別是指酸式鹽。所述FeCl3溶液也可用其他任何能使石墨烯膜漂浮的溶液取代，例如用丙酮等有機(jī)溶劑，水，硝酸鐵等無機(jī)溶液取代。在轉(zhuǎn)移過程中，除PMMA之外也可使用其他合適物質(zhì)作為膜的保護(hù)層，所述其他合適物質(zhì)主要為有機(jī)聚合物，例如聚二甲基硅氧烷。氮化硼膜的轉(zhuǎn)移和貼覆過程與石墨烯膜類似。圖3展示了本實(shí)用新型一個實(shí)施方案的氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一個示例性制備過程:( I)在一個金屬基底上由CVD法生長兩個氮化硼膜；(2)在另一個金屬基底上由CVD法生長一個石墨烯膜；(3)將由CVD法生長出的氮化硼膜和石墨烯膜的金屬基底用腐蝕溶液腐蝕掉；(4)將腐蝕掉金屬基底的氮化硼膜轉(zhuǎn)移并貼覆到其他基底上，并將腐蝕掉金屬基底的石墨烯膜轉(zhuǎn)移并貼覆到該氮化硼膜上構(gòu)成其他基底/氮化硼膜/石墨烯膜，其中膜的轉(zhuǎn)移和貼覆可按上述方法進(jìn)行；(5)通過普通的微電子制造過程，在石墨烯膜上制造出一定結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)取決于透明電極在不同領(lǐng)域的應(yīng)用；和(6)將另外一個氮化硼膜轉(zhuǎn)移并貼覆到來自(5)的其他基底/氮化硼膜/石墨烯膜上構(gòu)成其他基底/氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。此處所述其他基底為絕緣基底。優(yōu)選地，該絕緣基底是透明的。所述絕緣基底可為無機(jī)絕緣材料、有機(jī)絕緣材料、及由這兩種材料經(jīng)過加工制成的混合絕緣材料。常用的無機(jī)絕緣材料有:云母、石棉、大理石、陶瓷、玻璃等。有機(jī)絕緣材料有:蟲I父、樹脂、橡I父等。對所述絕緣基底的厚度無特別要求，只要其足以支撐所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)即可。優(yōu)選地，在步驟(3)和(4)之間還包括將石墨烯膜圖樣化的步驟。所述圖樣化可采用常規(guī)的微電子制造過程進(jìn)行，例如光刻或刻蝕的方法進(jìn)行；或使用鏤空模板，隨后使用氧進(jìn)行等離子刻蝕。圖樣結(jié)構(gòu)取決于透明電極在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。本實(shí)用新型的氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠在不提高載流子密度且不犧牲石墨烯透光率的前提下，顯著提高石墨烯的電導(dǎo)率。實(shí)施例下文將參照具體實(shí)施例和比較例對本實(shí)用新型進(jìn)行更詳細(xì)描述，但本實(shí)用新型不限于這些實(shí)施例。[0052]實(shí)施例1[0053]在銅箔上由文中所述CVD法生長出兩個正方形氮化硼膜(厚度均為3nm，邊長為5cm)和一個相同形狀和大小的單層石墨烯膜(厚度為0.35nm)。在它們各自的一個表面上噴涂PMMA膠并固化，并對另一面用氧進(jìn)行等離子刻蝕而使銅箔暴露，并浸入鹽酸(20重量％)溶液中腐蝕掉銅箔。然后將其中一個氮化硼膜清洗后放入水中，該氮化硼膜由于表面張力而平鋪于水的表面，用玻璃基底將其從水中撈起并使之平整無間隙地緊密貼覆于該基底表面；再將單層石墨烯膜清洗后平鋪于水的表面，用該貼覆有氮化硼膜的玻璃基底將其從水中撈起并使之緊密貼覆于該氮化硼膜上；采用光刻對該石墨烯膜圖樣化；然后采用同樣的方法將另一個氮化硼膜緊密貼覆于該圖樣化的石墨烯膜上，從而制得氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。[0054]用SRM-14T非接觸式平面電阻測量儀(購自德國NAGY儀器公司)通過平面電阻測量法測定該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的平面電阻，結(jié)果如下表I所示。[0055]實(shí)施例2[0056]按與實(shí)施例1相同的方法制備氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不同在于，所述氮化硼膜和石墨烯膜的厚度分別為5nm和lnm。[0057]用前述平面電阻測量儀通過平面電阻測量法測定該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的平面電阻，結(jié)果如下表I所示。[0058]實(shí)施例3[0059]按與實(shí)施例1相同的方法制備氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不同在于，所述氮化硼膜和石墨烯膜的厚度分別為0.5nm和3.5nm。[0060]用前述平面電阻測量儀通過平面電阻測量法測定該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的平面電阻，結(jié)果如下表I所示。[0061]實(shí)施例4[0062]按與實(shí)施例1相同的方法制備氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不同在于，所述氮化硼膜和石墨烯膜的厚度分別為50nm和10nm。[0063]用前述平面電阻測量儀通過平面電阻測量法測定該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的平面電阻，結(jié)果如下表I所示。[0064]實(shí)施例5[0065]按與實(shí)施例1相同的方法制備氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不同在于，所述氮化硼膜和石墨烯膜的厚度分別為500nm和2.lnm。[0066]用前述平面電阻測量儀通過平面電阻測量法測定該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的平面電阻，結(jié)果如下表I所示。[0067]實(shí)施例6-8[0068]按與實(shí)施例1相同的方法制備氮化硼膜/石墨烯膜/氮化硼膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不同在于，將六方結(jié)構(gòu)氮化硼膜分別改為菱方結(jié)構(gòu)氮化硼(R-BN)膜、立方結(jié)構(gòu)氮化硼(C-BN)膜和密排六方結(jié)構(gòu)氮化硼(W-BN/纖鋅礦氮化硼)膜。[0069]用前述平面電阻測量儀通過平面電阻測量法測定該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的平面電阻，結(jié)果如下表I所示。[0070]比較例1-8[0071]分別按與實(shí)施例1-8相同的方法制備氮化硼膜/石墨烯膜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。用前述平面電阻測量儀通過平面電阻測量法測定該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的平面電阻，結(jié)果如下表I所
/Jn ο表I各實(shí)施例中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的平面電阻和透光率
權(quán)利要求1.一種氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，其包含兩個單層氮化硼膜(8，10)和一個單層或多層石墨烯膜(9)，其中所述石墨烯膜(9)位于兩個氮化硼膜(8，10)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述石墨烯膜(9)的厚度為0.35-10nm，所述氮化硼膜(8，10)的厚度為0.5_500nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述石墨烯膜(9)的厚度為0.35_3nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述石墨烯膜(9)的厚度為0.35-2.1nm0
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化硼膜(8，10)的厚度為0.5_50nmo
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化硼膜(8，10)的厚度為0.5_5nm0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化硼膜(8，10)和石墨烯膜(9)均通過CVD法制備。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化硼膜(8，10)和石墨烯膜(9)通過壓制或抽真空而結(jié)合在一起。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，其還包含一個絕緣基底，該絕緣基底貼覆于其中一個氮化硼膜上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕緣基底可為無機(jī)絕緣材料或有機(jī)絕緣材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕緣基底為透明絕緣基 底 。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化硼膜(8，10)和石墨烯膜(9)的大小與形狀相互匹配。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種氮化硼-石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其包含兩個單層氮化硼膜(8；10)和一個單層或多層石墨烯膜(9)，其中所述石墨烯膜(9)位于兩個氮化硼膜(8；10)之間。所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠在不提高載流子密度的前提下，顯著提高石墨烯的電導(dǎo)率。
文檔編號H01B1/06GK202996318SQ20112055213
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者金虎, 彭鵬 申請人:金虎