石墨烯納米帶的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉一種石墨烯納米帶的制備方法，該制備方法在各向異性的金屬表面存在的條件下進行，所述各向異性的金屬表面誘發(fā)納米帶的空間定向。
【專利說明】石墨烯納米帶的制備方法
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯納米帶(graphene nanoribbons, GNR)領域。石墨烯納米帶是準一維分子，其長度可高達幾十納米。這樣的石墨烯納米帶，如在Cai etal.Nature466, 470 (2010)所描述的石墨烯納米帶，在用于未來的電子電路具有巨大的潛力。
[0002]目前已有不少用于生產(chǎn)石墨烯納米帶的制備方法，然而，即使可以，這些方法也具有缺點，即制備出在空間上定義的對齊方向的石墨烯納米帶具有很大難度。
[0003]因此，本發(fā)明的目的是開發(fā)一種制備石墨烯納米帶的方法，使獲得的納米帶在空間定位上具有更聞的調(diào)整精度。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的權利要求1的方法可以實現(xiàn)該目的。因此，提供了一種制備石墨烯納米帶的方法，其包括以下步驟:
[0005]a)在真空下,在一種具有各向異性金屬表面的金屬存在的條件下，加熱一種合適的前體材料，所述金屬的氧化還原電勢大于等于0.5V。
[0006]令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，通過該過程制備出的石墨烯納米帶的空間定向可以至少部分地甚至是廣泛地進行調(diào)整，這取決于具體的應用。在大多數(shù)情況下，石墨烯納米帶使其本身朝向各向異性的金屬表面對準；因此，就可以假設(但不被理論所限制)金屬表面的各向異性可以在很大程度上引導石墨烯納米帶的定向。
[0007]在本發(fā)明的意義上，術語“石墨烯納米帶”特別涉及一種在一維方向共價連接的石墨烯層的分子。該石墨烯層具有幾何學鋒利(geometrically sharp)和分子規(guī)模的輪廓分明的邊界，例如，直鏈的或鋸齒形結(jié)構。
[0008]在本發(fā)明的意義上，術語“各向異性金屬表面(anisotropic metal surface)”是指在特定的臺階單晶表面(stepped single crystal surfaces),優(yōu)選為那些具有高指數(shù)臺階單晶表面，例如采用的(775 )或(788 )。
[0009]在本發(fā)明的意義上，術語“氧化還原電勢”特別是指在電化學序列(25°C、101，3千帕；pH值=0 ;離子活動=1的標準電位)的金屬的電位(Mn++n e_=>M)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式,金屬選自以下物質(zhì):Au、Ag、Cu、Fe、Co、N1、Pd、Pt、Ir、Ru、Rh和其混合物。這些金屬已經(jīng)在實踐中證明了自己。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式，各向異性金屬表面選自以下表面:[12，11, 11]、[11，9，9]、[433]、[755]、[322]、[11，12，12]、[455]、[577]、[233]、[788]及[775]表面，特別是金和銀的表面。已經(jīng)表明，在許多情況下，所得到的石墨烯納米帶的質(zhì)量都大大提高了。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式，前體材料包括具有至少兩個鹵素和至少三個芳環(huán)的芳香族鹵化物。需要指出的是，術語“前體材料”，雖然寫的單數(shù)形式，但并不意味著不能使用混合物材料，相反，在實踐中，這的確也是這樣。
[0013]優(yōu)選地，鹵化物為氯化物，溴化物，碘化物，優(yōu)選為是溴化物和/或氯化物。
[0014]優(yōu)選地，前體材料包括芳族鹵化物，其中芳族鹵化物的兩個芳環(huán)通過單鍵相連(類似于聯(lián)苯)。已經(jīng)表明，在很多情況下，可以很大程度地提高形成納米帶的傾向。更優(yōu)選的是，材料中的一個或多個鹵化物是對位(p-poS i t ion )的“聯(lián)苯基”鍵。
[0015]優(yōu)選地，前體材料包括具有至少一個多環(huán)芳香體系的芳香族鹵化物，其中，優(yōu)選地，該體系具有兩到四核。優(yōu)選地，前體材料由數(shù)個這樣的芳香體系構成，優(yōu)選為由碳-碳單鍵構成(類似于聯(lián)苯)。
[0016]該前體材料可以以這樣的方式構成:所有的碳原子形成芳香環(huán)或環(huán)體系；在其他實施方式中，優(yōu)選地，該前體材料也可以為由脂肪族碳原子構成的材料(優(yōu)選地，以烷基或鹵代烷基殘基的形式)。在這種情況下，特別優(yōu)選的是退火的環(huán)己烷環(huán)(類似于在四氫化萘)。已經(jīng)證實納米帶可以以這種方式“擴大(broadened)”。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式，步驟a)在大于等于150°C且小于等于500°C之間的溫度范圍下進行加熱。這已被證明是特別有效的做法。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式，步驟a)在大于等于1Χ10_η毫巴且小于等于5 X 10_4毫巴的壓力范圍下進行。優(yōu)選地，在壓力大于等于I XO,毫巴下進行，更優(yōu)選地，在大于等于I X 10_9毫巴且小于等于5 X 10,毫巴的壓力下進行。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式，步驟a)包括步驟al)和a2):
[0020]al)加熱至溫度大于等于150°C且小于等于300°C ；
[0021]a2)加熱至溫度大于等于300°C且小于等于500°C。優(yōu)選地，持續(xù)大于等于5分鐘且小于等于20分鐘的時間。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的 另一優(yōu)選實施方式，該方法進一步包括步驟aO):
[0023]aO)清洗各向異性金屬表面。
[0024]步驟aO)在所述步驟a)，al)或a2)之前執(zhí)行。優(yōu)選地，驟aO)包括氬濺射步驟和/或退火步驟。
[0025]由此，在本發(fā)明的意義上，術語“退火”特別是指表面在步驟a)和/或al)中的溫度下加熱。
[0026]本發(fā)明主題的進一步的細節(jié)、特征和優(yōu)點記載在在從屬權利要求以及相關附圖中，通過示例的方式來對本發(fā)明的方法做進一步描述。附圖如下所示:
[0027]圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例(實施例1)制備出的石墨烯納米帶的長度分布圖；
[0028]圖2為實施例1的石墨烯納米帶的STM圖；
[0029]圖3為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例(實施例1I)制備出的石墨烯納米帶的長度分布圖；
[0030]圖4為實施例1I的石墨烯納米帶的STM圖；
[0031]圖5為根據(jù)本發(fā)明的第三實施例(實施例1II)制備出的石墨烯納米帶的STM圖。
[0032]下面的實施例僅僅是說明本發(fā)明，而不應理解為限制本發(fā)明，應該僅僅用于更好地理解本發(fā)明。
[0033]實施例1:在[788]金的表面上制備石墨烯納米帶
[0034]選擇10，10’ - 二溴-9，9’ -聯(lián)蒽作為實施例1的前體材料，其具有以下結(jié)構:
[0035]
【權利要求】
1.一種石墨烯納米帶的制備方法，包括步驟: a)在真空下，及在一種具有各向異性金屬表面的金屬存在的條件下，加熱一種合適的前體材料，所述金屬的氧化還原電勢大于等于0.5V。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬選自以下物質(zhì):Au、Ag、Cu、Fe、Co、N1、Pd、Pt、Ir、Ru、Rh 及其混合物。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述各向異性金屬表面選自以下:[12，11，11]、[11，9，9]、[433]、[755]、[322]、[11，12，12]、[455]、[577]、[233]、[788]及[775]表面。
4.根據(jù)權利要求1至3任意一項所述的方法，其特征在于，所述前體材料包括具有至少兩個鹵素和至少三個芳環(huán)的芳香族鹵化物。
5.根據(jù)權利要求1至4任意一項所述的方法，其特征在于，所述步驟a)是在加熱至大于等于150°C且小于等于500°C之間的溫度下進行。
6.根據(jù)權利要求1至5任意一項所述的方法，其特征在于，所述步驟a)是在大于等于1 X 10_n毫巴且小于等于5×10_4毫巴的壓力下進行。
7.根據(jù)權利要求1至6任意一項所述的方法，其特征在于，所述步驟a)包括步驟al)和 a2): al)加熱至溫度大于等于150°C且小于等于300°C ； a2)加熱至溫度大于等于300°C且小于等于500°C。
8.根據(jù)權利要求1至7任意一項所述的方法，其特征在于，還包括步驟aO): aO)清洗所述各向異性金屬表面， 所述步驟aO)在所述步驟a)，al)或a2)之前執(zhí)行。
9.根據(jù)權利要 求8所述的方法，其特征在于，所述步驟aO)包括氬濺射步驟和/或退火步驟。
【文檔編號】C01B31/04GK103906707SQ201280048136
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年9月27日 優(yōu)先權日:2011年9月30日
【發(fā)明者】鐘定永, 遲力峰, 赫爾穆特·扎哈里亞斯, 哈拉爾德·富克斯, 克勞斯·米倫, 馮新良 申請人:馬克斯·普朗克科學促進學會, 明斯特威斯特法倫威廉大學