本發(fā)明屬于新型二維材料制備領(lǐng)域，涉及一種高質(zhì)量低缺陷單層石墨烯的制備方法。
背景技術(shù)：
新型二維半導(dǎo)體材料石墨烯因其特殊的晶體結(jié)構(gòu)而具有的諸多優(yōu)異光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能，在研究和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界受到了廣泛關(guān)注。自剝離法成功獲得單層石墨烯后，不同的制備方法被用于制備石墨烯，包括機(jī)械剝離、氣相沉積和氧化還原等。但這些制備方法在產(chǎn)業(yè)化過程中，均存在不同的局限性。
機(jī)械剝離法有效降低了成本，但生成產(chǎn)物的成分不可控和少層產(chǎn)量是至今無法克服的難題；化學(xué)氣相沉積是迄今為止制備高質(zhì)量石墨烯最為有效的工藝技術(shù)，但生產(chǎn)條件苛刻，性能對(duì)基底依賴程度過高及生產(chǎn)效率低下，是限制其發(fā)展的主要因素；化學(xué)氧化還原石墨烯的制備方法雖然簡(jiǎn)便、易于批量生產(chǎn)，且相關(guān)產(chǎn)物形式能夠?yàn)椴牧系倪M(jìn)一步加工樹篩選帶累便利，但從反應(yīng)產(chǎn)物中剝離并再次進(jìn)行還原的過程難以控制。
在石墨烯的制備研究過程中，研究人員嘗試?yán)没瘜W(xué)方法在石墨層間插入非碳物質(zhì)，使得擦入物材料擦入石墨間隙層。通過簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，生成大量的石墨層間化合物。該石墨層間化合物中，包含有一定量的一階石墨層間化合物，但如何在不造成新的缺陷的前提下將插層物完全移除形成單層石墨烯，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，迄今仍未有成熟的技術(shù)方案。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于：提供一種高質(zhì)量低缺陷單層石墨烯的制備方法。采用堿金屬有機(jī)溶劑作為插層物質(zhì)插入球形石墨形成一階石墨層間化合物，然后采用低成本的有機(jī)溶劑苯甲腈從石墨層間化合物中分離出沒有缺陷的石墨烯。與傳統(tǒng)的化學(xué)剝離或氧化還原法相比，能夠有效降低石墨烯的缺陷密度，并降低成本成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的石墨烯批量生產(chǎn)具有重要意義。
本發(fā)明采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種高質(zhì)量低缺陷單層石墨烯的制備方法，其特征在于，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：
（1）將一定量的堿金屬鉀溶入有機(jī)溶劑二甲基亞砜（DMSO）或四氫呋喃（THF）中，形成堿金屬-有機(jī)溶劑插入物；
（2）在步驟（1）中的加入適量的球形石墨，密封后采用大于1000W功率超聲處理30分鐘，室溫下靜置2小時(shí)形成一階石墨層間化合物（KC8）溶液；
（3）在步驟（2）中一階石墨層間化合物溶液中加入過量的苯甲腈溶液，對(duì)石墨層間化合物中的插入物進(jìn)行轉(zhuǎn)移處理；
（4）將步驟（3）中的溶液滴在表面清潔的Si/SiO2表面，旋涂晾干后即可獲得高質(zhì)量無缺陷的單層石墨烯產(chǎn)物。
堿金屬鉀溶入有機(jī)溶劑時(shí)比例不低于0.5mol/L。
堿金屬鉀與球形石墨的摩爾比不低于1：8。
加入過量苯甲腈溶液的標(biāo)準(zhǔn)是，苯甲腈溶液與球形石墨的比例不低于2.5L/mol。
與現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明中采用堿金屬-有機(jī)溶劑法作為插入物對(duì)球形石墨進(jìn)行插層形成一階石墨層間化合物，后采用低成本的苯甲腈溶劑將插入物轉(zhuǎn)移，該過程不會(huì)產(chǎn)生額外缺陷。與以往的化學(xué)剝離發(fā)制備石墨烯相比，該方法在進(jìn)行插層物轉(zhuǎn)移的過程中，不會(huì)對(duì)石墨烯表面造成任何損壞，能夠低成本地得到高質(zhì)量低缺陷的單層石墨烯，且制備過程簡(jiǎn)單，易于大批量生產(chǎn)。
該方法能夠采用簡(jiǎn)單的化學(xué)法制備出高質(zhì)量低缺陷的單層石墨烯，并且實(shí)現(xiàn)高效分離?？梢詷O大地降低單層高質(zhì)量石墨烯的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，讓批量生產(chǎn)成為可能。
附圖說明
圖1 實(shí)施案例樣品1的拉曼譜圖。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1：
將39mg（1mmol）鉀金屬加入乘在玻璃管中的200mL四氫呋喃溶液中，當(dāng)鉀金屬溶解后加入96mg(8mmol)球形石墨后，將玻璃管密封，采用1000W的大功率超聲30分鐘，室溫下放置2小時(shí)形成一階石墨層間化合物(KC8)溶液；在石墨層間化合物溶液中加入20mL的苯甲腈溶液后，將溶液滴在表面清潔的Si/SiO2上，旋涂晾干，所得的產(chǎn)物即為高質(zhì)量無缺陷單層石墨烯。
實(shí)施例2：
將39mg（1mmol）鉀金屬加入乘在玻璃管中的200mL二甲基亞砜溶液中，當(dāng)鉀金屬溶解后加入96mg(8mmol)球形石墨后，將玻璃管密封，采用1500W的大功率超聲30分鐘，室溫下放置2小時(shí)形成一階石墨層間化合物(KC8)溶液；在石墨層間化合物溶液中加入20mL的苯甲腈溶液后，將溶液滴在表面清潔的Si/SiO2上，旋涂晾干，所得的產(chǎn)物即為高質(zhì)量無缺陷單層石墨烯。
實(shí)施例3：
將78mg（2mmol）鉀金屬加入乘在玻璃管中的200mL四氫呋喃溶液中，當(dāng)鉀金屬溶解后加入96mg(8mmol)球形石墨后，將玻璃管密封，采用1000W的大功率超聲30分鐘，室溫下放置2小時(shí)形成一階石墨層間化合物(KC8)溶液；在石墨層間化合物溶液中加入30mL的苯甲腈溶液后，將溶液滴在表面清潔的Si/SiO2上，旋涂晾干，所得的產(chǎn)物即為高質(zhì)量無缺陷的單層石墨烯。
實(shí)施例4：
將156mg（4mmol）鉀金屬加入乘在玻璃管中的200mL二甲基亞砜溶液中，當(dāng)鉀金屬溶解后加入96mg(8mmol)球形石墨后，將玻璃管密封，采用1500W的大功率超聲30分鐘，室溫下放置2小時(shí)形成一階石墨層間化合物(KC8)溶液；在石墨層間化合物溶液中加入40mL的苯甲腈溶液后，將溶液滴在表面清潔的Si/SiO2上，旋涂晾干，所得的產(chǎn)物即為高質(zhì)量無缺陷的單層石墨烯。
實(shí)施案例樣品進(jìn)行了拉曼表征，圖1給出了實(shí)施案例1樣品的拉曼圖譜。