一种石墨烯基超晶格金属氧化物薄膜材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯基超晶格金属氧化物薄膜材料的制备方法，其步骤如下：步骤1，选用硅基片作为衬底，进行表面清洗；步骤2，配置石墨烯溶胶液；步骤3，配置改性二氧化钛溶胶液；步骤4，将衬底浸泡至二氧化钛溶胶液内，快速烘干形成二氧化钛前驱膜；步骤5，将二氧化钛前驱膜表面滴加石墨烯溶胶液，旋涂均匀后得到石墨烯膜；步骤6，采用雾化喷涂法将二氧化钛溶胶液均匀分布在石墨烯膜表面，得到二氧化钛覆盖膜；步骤7，在高压反应釜中回流反应，得到掺杂型金属氧化物薄膜；步骤8，蒸汽反应后，退火处理得到石墨烯基超晶格金属薄膜材料。本发明制备方法简单，解决了金属氧化物薄膜的平整度和均匀性低、缺陷大、粗糙度高等问题。

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，具体涉及一种石墨烯基超晶格金属氧化物薄膜材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是单原子层的石墨片，具有优异的电学性质，其电子迁移率高达100,000cm2V^-1s^-1，最早于2004年由英国曼彻斯特大学的科学家制备出来。单层石墨烯中的电子在狄拉克点附近具有线性的色散关系，属于无质量的狄拉克费米子，其费米速度为光速的1/300，因此该材料的发现为凝聚态材料的物性研究及计算提供了理想的实现途径。

石墨烯超晶格多孔纳米结构的电学性质同时受到量子限域效应和周期势调制的影响：随着纳米带尺寸的缩短，原本没有能隙的石墨烯会打开一个能隙；另一方面，超晶格的结构之前也被证实可以进一步调制石墨烯的能带结构，会在狄拉克点附近产生新的超晶格狄拉克点。所以通过控制纳米带的尺寸和打孔的周期我们可以进行石墨烯的能带工程，在保证高的器件开关比的同时仍然具有较大的输出电流。所以这种多孔的超晶格网状结构被视为石墨烯能带工程中非常重要的器件模型。

现有技术中提供了一种利用自组装的共聚物纳米颗粒做掩膜来制备石墨烯纳米网的结构，这种方法虽然可以达到100nm以下的周期，但是空洞没有严格的周期性，同时和微加工制备得到的纳米结构有共同的问题，即石墨烯的边缘是粗糙的无序结构，这在一定程度上降低了器件的电学性质。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯基超晶格金属氧化物薄膜材料的制备方法，本发明制备方法简单，解决了金属氧化物薄膜的平整度和均匀性低、缺陷大、粗糙度高等问题。

一种石墨烯基超晶格金属氧化物薄膜材料的制备方法，其步骤如下：

步骤1，选用硅基片作为衬底，进行表面清洗；

步骤2，配置石墨烯溶胶液；

步骤3，配置改性二氧化钛溶胶液；

步骤4，将衬底浸泡至二氧化钛溶胶液内，快速烘干形成二氧化钛前驱膜；

步骤5，将二氧化钛前驱膜表面滴加石墨烯溶胶液，旋涂均匀后得到石墨烯膜；

步骤6，采用雾化喷涂法将二氧化钛溶胶液均匀分布在石墨烯膜表面，得到二氧化钛覆盖膜；

步骤7，将步骤6中的镀膜后衬底在高压反应釜中回流反应，得到掺杂型金属氧化物薄膜；

步骤8，将掺杂型金属氧化物薄膜进行蒸汽反应后，退火处理得到石墨烯基超晶格金属薄膜材料。

所述步骤1中的硅基片采用氮掺杂结构的二氧化硅基片。

所述步骤2中的石墨烯溶胶液的配方包括石墨粉10-14份、引发剂3-6份、氧化剂6-9份、发泡剂1-3份、无水乙醇20-50份、分散剂3-7份、硅树脂4-8份

引发剂采用偶氮异丁腈或偶氮二酸酰亚胺，氧化剂采用过氧化氢或过氧化钠，所述发泡剂采用碳酸氢盐和柠檬酸的混配物，所述碳酸氢盐和柠檬酸的混配物的配比为0.7-1.33，所述硅树脂采用有机硅树脂或者改性有机硅树脂，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮或苄基萘磺酸甲醛缩合物。

所述步骤3中的改性二氧化钛溶胶液的配方包括钛酸正丁酯11-14份、纳米二氧化钛3-4份、溶剂30-50份、稳定剂3-7份、乙二醇胺1-3份、改性剂2-4份。

所述溶剂为十六烯、辛醚、十八烯、二十烯中的一种，稳定剂采用烷基酚钡与2—乙基己酸锌的混合物，所述稳定剂的配比为1.1-3.5，所述改性剂采用铋酸铁。

所述步骤4中的浸泡时间为5-14min，烘干温度为50-70℃。

所述步骤5的滴加量为0.1-0.7g/cm²，所述步骤6中雾化量为5-11g/dm³。

所述步骤7中回流气体为氮气或二氧化碳气体，回流速度为10-30mL/min，所述回流反应时间为25-60min。

所述步骤8的蒸汽反应温度为90-110℃，所述蒸汽反应方法为水浴加热蒸汽法。

所述步骤8的退火处理方法是在20-35MPa压力下加热120-400℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明制备方法简单，解决了金属氧化物薄膜的平整度和均匀性低、缺陷大、粗糙度高等问题。

2、本发明采用石墨烯溶胶镀膜在二氧化钛薄膜之间，填补缺陷问题，能够大大光电传导性。

3、本发明采用发泡材料能够保证石墨烯表面的缺陷以及发泡孔隙，能够大大增加石墨烯表面的二氧化钛镶嵌效果，解决了石墨烯缺陷问题。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述：

实施例1

一种石墨烯基超晶格金属氧化物薄膜材料的制备方法，其步骤如下：

步骤1，选用硅基片作为衬底，进行表面清洗；

步骤2，配置石墨烯溶胶液；

步骤3，配置改性二氧化钛溶胶液；

步骤4，将衬底浸泡至二氧化钛溶胶液内，快速烘干形成二氧化钛前驱膜；

步骤5，将二氧化钛前驱膜表面滴加石墨烯溶胶液，旋涂均匀后得到石墨烯膜；

步骤6，采用雾化喷涂法将二氧化钛溶胶液均匀分布在石墨烯膜表面，得到二氧化钛覆盖膜；

步骤7，将步骤6中的镀膜后衬底在高压反应釜中回流反应，得到掺杂型金属氧化物薄膜；

步骤8，将掺杂型金属氧化物薄膜进行蒸汽反应后，退火处理得到石墨烯基超晶格金属薄膜材料。

所述步骤1中的硅基片采用氮掺杂结构的二氧化硅基片。

所述步骤2中的石墨烯溶胶液的配方包括石墨粉10份、引发剂3份、氧化剂6份、发泡剂1份、无水乙醇20份、分散剂3份、硅树脂4份

引发剂采用偶氮异丁腈，氧化剂采用过氧化氢，所述发泡剂采用碳酸氢盐和柠檬酸的混配物，所述碳酸氢盐和柠檬酸的混配物的配比为0.7，所述硅树脂采用有机硅树脂，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮。

所述步骤3中的改性二氧化钛溶胶液的配方包括钛酸正丁酯11份、纳米二氧化钛3份、溶剂30份、稳定剂3份、乙二醇胺1份、改性剂2份。

所述溶剂为十六烯，稳定剂采用烷基酚钡与2—乙基己酸锌的混合物，所述稳定剂的配比为1.1，所述改性剂采用铋酸铁。

所述步骤4中的浸泡时间为5min，烘干温度为50℃。

所述步骤5的滴加量为0.1g/cm²，所述步骤6中雾化量为5g/dm³。

所述步骤7中回流气体为氮气，回流速度为10mL/min，所述回流反应时间为25min。

所述步骤8的蒸汽反应温度为90℃，所述蒸汽反应方法为水浴加热蒸汽法。

所述步骤8的退火处理方法是在20MPa压力下加热120℃。

实施例2

一种石墨烯基超晶格金属氧化物薄膜材料的制备方法，其步骤如下：

步骤1，选用硅基片作为衬底，进行表面清洗；

步骤2，配置石墨烯溶胶液；

步骤3，配置改性二氧化钛溶胶液；

步骤4，将衬底浸泡至二氧化钛溶胶液内，快速烘干形成二氧化钛前驱膜；

步骤5，将二氧化钛前驱膜表面滴加石墨烯溶胶液，旋涂均匀后得到石墨烯膜；

步骤6，采用雾化喷涂法将二氧化钛溶胶液均匀分布在石墨烯膜表面，得到二氧化钛覆盖膜；

步骤7，将步骤6中的镀膜后衬底在高压反应釜中回流反应，得到掺杂型金属氧化物薄膜；

步骤8，将掺杂型金属氧化物薄膜进行蒸汽反应后，退火处理得到石墨烯基超晶格金属薄膜材料。

所述步骤1中的硅基片采用氮掺杂结构的二氧化硅基片。

所述步骤2中的石墨烯溶胶液的配方包括石墨粉14份、引发剂6份、氧化剂9份、发泡剂3份、无水乙醇50份、分散剂7份、硅树脂8份

引发剂采用偶氮二酸酰亚胺，氧化剂采用过氧化钠，所述发泡剂采用碳酸氢盐和柠檬酸的混配物，所述碳酸氢盐和柠檬酸的混配物的配比为1.33，所述硅树脂采用改性有机硅树脂，所述分散剂采用苄基萘磺酸甲醛缩合物。

所述步骤3中的改性二氧化钛溶胶液的配方包括钛酸正丁酯14份、纳米二氧化钛4份、溶剂50份、稳定剂7份、乙二醇胺3份、改性剂4份。

所述溶剂为辛醚，稳定剂采用烷基酚钡与2—乙基己酸锌的混合物，所述稳定剂的配比为3.5，所述改性剂采用铋酸铁。

所述步骤4中的浸泡时间为14min，烘干温度为70℃。

所述步骤5的滴加量为0.7g/cm²，所述步骤6中雾化量为11g/dm³。

所述步骤7中回流气体为二氧化碳气体，回流速度为30mL/min，所述回流反应时间为60min。

所述步骤8的蒸汽反应温度为110℃，所述蒸汽反应方法为水浴加热蒸汽法。

所述步骤8的退火处理方法是在35MPa压力下加热400℃。

实施例3

一种石墨烯基超晶格金属氧化物薄膜材料的制备方法，其步骤如下：

步骤1，选用硅基片作为衬底，进行表面清洗；

步骤2，配置石墨烯溶胶液；

步骤3，配置改性二氧化钛溶胶液；

步骤4，将衬底浸泡至二氧化钛溶胶液内，快速烘干形成二氧化钛前驱膜；

步骤5，将二氧化钛前驱膜表面滴加石墨烯溶胶液，旋涂均匀后得到石墨烯膜；

步骤6，采用雾化喷涂法将二氧化钛溶胶液均匀分布在石墨烯膜表面，得到二氧化钛覆盖膜；

步骤7，将步骤6中的镀膜后衬底在高压反应釜中回流反应，得到掺杂型金属氧化物薄膜；

步骤8，将掺杂型金属氧化物薄膜进行蒸汽反应后，退火处理得到石墨烯基超晶格金属薄膜材料。

所述步骤1中的硅基片采用氮掺杂结构的二氧化硅基片。

所述步骤2中的石墨烯溶胶液的配方包括石墨粉13份、引发剂5份、氧化剂8份、发泡剂2份、无水乙醇45份、分散剂6份、硅树脂7份

引发剂采用偶氮异丁腈，氧化剂采用过氧化氢，所述发泡剂采用碳酸氢盐和柠檬酸的混配物，所述碳酸氢盐和柠檬酸的混配物的配比为1.23，所述硅树脂采用有机硅树脂，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮。

所述步骤3中的改性二氧化钛溶胶液的配方包括钛酸正丁酯13份、纳米二氧化钛3份、溶剂46份、稳定剂6份、乙二醇胺2份、改性剂3份。

所述溶剂为二十烯，稳定剂采用烷基酚钡与2—乙基己酸锌的混合物，所述稳定剂的配比为3.1，所述改性剂采用铋酸铁。

所述步骤4中的浸泡时间为11min，烘干温度为60℃。

所述步骤5的滴加量为0.5g/cm²，所述步骤6中雾化量为9g/dm³。

所述步骤7中回流气体为二氧化碳气体，回流速度为25mL/min，所述回流反应时间为45min。

所述步骤8的蒸汽反应温度为100℃，所述蒸汽反应方法为水浴加热蒸汽法。

所述步骤8的退火处理方法是在33MPa压力下加热320℃。

以上所述仅为本发明的一实施例，并不限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。