專利名稱：紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種納米材料技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯，由單層碳原子組成的理想二維晶體，具有特殊的電學性能(如理想的二維電子特性、常溫下異常的量子霍爾效應(yīng)、超高的電子流動性等)，良好的熱導(dǎo)性(面熱導(dǎo)率 3，OOOwm-1K-1)和較高機械性能(面強度約為1，060GPa)，禁帶寬可以根據(jù)其器件的需要隨意剪裁等特點，使得它在生物傳感、光電解池、納米器件、超級電容和醫(yī)學診斷等領(lǐng)域研究取得新的進展。然而，石墨烯的可溶性差，易團聚的缺陷是目前石墨烯的超高特性在各個領(lǐng)域中應(yīng)用的瓶頸問題。作為碳家族中最新成員碳點，在很大程度上彌補了石墨烯的缺陷，成為了新近也研究的熱點之一。碳量子點與其他半導(dǎo)體量子點相比，無毒且具有較好的生物相容性，取材從最為簡單蠟燭燃燒的煙灰到生物有機廢材，方法簡單可以大量生產(chǎn)。擁有量子尺寸的碳點具有從藍光到紅光連續(xù)熒光發(fā)光特性，且穩(wěn)定好，耐漂白、無光閃爍等特點。目前制備方法分為可以自上而下的氧化純化法和自下而上的合成法。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，如Tian等人《Chemical Materials))(材料化學)(2009，21，2803-2809)上發(fā)表了題為 “Nanosized Carbon Particles from Natural gas soot”(利用天然氣煙灰制備納米尺度的碳顆粒)，文中指出采用硝酸氧化法以天然氣燃灰為原料，以表面活性劑為輔助經(jīng)過多次透析純化的制備不同尺寸的碳點。Liu 等在((Angew. Chem. Int. Ed.》(德國應(yīng)用化學期刊)(2007,46，6473-6475)上發(fā)表題為 "Fluorescent Carbon NanoParticles Derived fromCandle Soot" ( ^^'^ΜΜ^Μ 料制備熒光碳量子點)，文中指出選用蠟燭燃灰為原料，采用硝酸氧化法和瓊脂糖凝膠電泳分離技術(shù)制備了 9種粒徑大小不同，發(fā)射峰位置也不的碳點。Ray等同樣以蠟燭灰為碳源硝酸氧化法制備碳點，純化方法有所改進，即先離心除去未反應(yīng)的蠟燭灰，然后加入3倍體積的丙酮，離心收集沉淀，便可得到純化好的熒光碳點，有效簡化了純化步驟，縮短了實驗時間。sun等在《Journal American Chemical Society》(美國化學會期刊) (2006，128,7756-7757)上發(fā)表了題為 “Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and ColorfulPhotoluminescence"(從光致發(fā)白光到彩色光碳量子點)，文中指出在水蒸氣中以氬氣為載氣利用激光消融碳靶，再加入硝酸回流，得到不發(fā)光的碳顆粒，然后用有機試劑鈍化得到強熒光的碳點。自下而上的方法如才采用以碳水化合物、檸檬酸銨等為原材料， 制備碳點。上述的方法均是制備的碳點或者碳的量子點，其相貌基本上為球形或準球形， 碳點本身沒有熒光或熒光很差，需要借助有機物如(PEG1500N、乙撐二胺、油胺等)進一步修飾，才能得到熒光性能好的碳點。Pan等在((Advance Materials))(先進材料)(2010， 22,734-738) 艮道了題為"Hydrothermal Route for Cutting Graphene Sheets into Blue-Luminescent Graphene QuantumDots”(水熱法剪裁石墨烯條帶為藍色熒光的碳量子點)。文中指出采用石墨烯帶為原料，表面活性輔助下制備了發(fā)黃光或藍光的2 3層石墨烯量子點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，以氧化石墨烯為原材料，采用紫外刻蝕并還原法，一步干法制備單層石墨烯量子點ο本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明通過將石墨烯溶液旋涂于云母片上， 經(jīng)干燥得到氧化石墨烯/云母薄膜，經(jīng)紫外光照射后制備得到單層石墨烯的量子點薄膜。所述的石墨烯溶液是通過將氧化石墨分散于去離子水中并經(jīng)超聲分散處理得到。所述的氧化石墨是通過改進的Hummer法制備得到，具體步驟如下1)在室溫下將500目的顆粒狀天然石墨和硝酸鈉置于冰鹽浴中冷卻至0°C以下后，緩慢加入98%濃硫酸并充分攪拌，然后在Ih內(nèi)將高錳酸鉀分批加入濃硫酸中并保持攪拌，每一次加入濃硫酸的高錳酸鉀為2g 3g，每次加入的時間間隔為20min，加入時保持在低于20°C的冷浴環(huán)境下進行攪拌，完成后用水浴加熱至35士3°C，充分反應(yīng)2h后加入去離子水，得到褐色懸浮液；2)將得到的褐色懸浮液繼續(xù)反應(yīng)15分鐘，然后向懸浮液中加入30%雙氧水和去離子水的混合液，得到亮黃色懸浮液；3)將亮黃色懸浮液過濾后得到黃褐色的濾餅，將濾餅進行3%酸洗處理后，分散于水中，經(jīng)轉(zhuǎn)速為4000rpm離心20分鐘處理，將得到的氧化石墨凝膠，將氧化石墨凝膠于 40°C，真空的環(huán)境下干燥24h得到氧化石墨固體。所述的干燥是指在真空干燥箱內(nèi)40 100°C干燥保存。所述的云母片為新解離的云母片。所述的紫外光照射是指在密閉的紫外燈小室內(nèi)采用功率在80 200W、主波長為 275nm或372nm的紫外燈進行照射1 60min，制成單層石墨烯的量子點薄膜。所述的紫外光照射的過程中控制氧化石墨烯/云母薄膜與紫外燈之間的光路距離為5 10cm。


圖1為氧化石墨烯的原子力高度圖和截面圖；其中圖Ia為石墨烯原子力顯微鏡高度圖；圖Ib量子點的截面圖。圖2為單層石墨烯量子點的原子力高度圖像。圖3氧化石墨烯和石墨烯量子點的紫外吸收光譜。圖4石墨烯量子點薄膜的熒光照片。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
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實施例1如圖1所示氧化石墨烯的原子力圖像。采用改進的Hummer法制備氧化石墨烯，其詳細過程見專利(郭守武，張佳利專利申請?zhí)?00910054919. 8)。取2mg的氧化石墨烯超聲分散在20mL超純水中，然后去5μ L滴在新解離的云母片上，放置在真空干燥箱內(nèi)60°C 恒溫干燥。原子力顯微鏡測試是在美國Veeco公司Nanoscope Multimode V上完成的，采用輕敲模式采集氧化石墨烯的原子力圖像。探針購自愛沙尼亞，型號NSC-11，彈性模量在 48N/m，共振頻率在330kHz。圖1所示為氧化石墨烯的原子力高度圖和界面圖。從圖Ia可以看到采用改進的Hummer法制備的氧化石墨烯表面比較干凈，大片均一。圖Ib所示界面圖分析可知，單層的氧化石墨烯的厚度約為0. 8 lnm。實施例2石墨烯量子點薄膜的制備過程如下取0. 5mg/mL的氧化石墨烯水溶液，10 μ L滴在新鮮解離的云母片上，云母片的面積為IOXlOmm2,置于真空干燥箱內(nèi)60°C恒溫干燥。制備好的氧化石墨烯/云母薄膜，放置于紫外密閉箱內(nèi)，紫外的功率在80W，紫外主波長選擇在275nm。調(diào)節(jié)薄膜與紫外燈的距離為10cm，光照時間是5min，采用AFM檢測光照結(jié)果，導(dǎo)電AFM測試薄膜的導(dǎo)電性能。圖2為經(jīng)過上述過程制備石墨烯量子點薄膜的高分辨圖像和薄膜的I V曲線。從圖2a上可以看出氧化石墨烯片層基本完全解離為納米顆粒，顆粒的大小在5 lOnm。圖2b為薄膜的I V曲線，從圖2b可以看到這種納米顆粒薄膜具有較好的導(dǎo)電性，氧化石墨烯被解離成納米顆粒的同時，也直接被還原為石墨烯。實施例3石墨烯的量子點的紫外吸收，固體薄膜樣品的紫外吸收光譜。取50 μ L的0. 5mg/ mL的氧化石墨烯的水溶液滴在預(yù)先清洗干凈的石英玻璃片上，石英片的面積為lX3cm2，放置在真空干燥箱內(nèi)恒溫60°C干燥，待用。制備好的樣品被移至紫外密閉小室內(nèi)，選擇275nm 紫外光80W分別照射0，3，5，10，20，30min測試紫外吸收光譜，其中每測試一次同樣的方法成膜一次，所得到紫外光譜圖如圖3所示。從圖可以看出，氧化石墨烯隨著光照時間延長逐漸被還原，與CAFM測試的結(jié)果一致。實施例4圖4為石墨烯量子點薄膜在明場和熒光照片。樣品制備如實施例3所述。選擇不同的波段的激發(fā)光，薄膜的熒光強度不同，其中以近紅外區(qū)的熒光強度最強，并且熒光衰減很慢。
權(quán)利要求
1.一種紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，其特征在于，通過將石墨烯溶液旋涂于云母片上，經(jīng)干燥得到氧化石墨烯/云母薄膜，經(jīng)紫外光照射后制備得到單層石墨烯的量子點薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，其特征是，所述的石墨烯溶液是通過將氧化石墨分散于去離子水中并經(jīng)超聲分散處理得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，其特征是，所述的氧化石墨是通過改進的Hummer法制備得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，其特征是，所述的氧化石墨通過以下方式制備得到1)在室溫下將500目的顆粒狀天然石墨和硝酸鈉置于冰鹽浴中冷卻至0°C以下后，緩慢加入98%濃硫酸并充分攪拌，然后在Ih內(nèi)將高錳酸鉀分批加入濃硫酸中并保持攪拌，每一次加入濃硫酸的高錳酸鉀為2g 3g，每次加入的時間間隔為20min，加入時保持在低于 20°C的冷浴環(huán)境下進行攪拌，完成后用水浴加熱至35 士3°C，充分反應(yīng)2h后加入去離子水， 得到褐色懸浮液；2)將得到的褐色懸浮液繼續(xù)反應(yīng)15分鐘，然后向懸浮液中加入30%雙氧水和去離子水的混合液，得到亮黃色懸浮液；3)將亮黃色懸浮液過濾后得到黃褐色的濾餅，將濾餅進行3%酸洗處理后，分散于水中，經(jīng)轉(zhuǎn)速為4000rpm離心20分鐘處理，將得到的氧化石墨凝膠，將氧化石墨凝膠于40°C， 真空的環(huán)境下干燥24h得到氧化石墨固體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，其特征是，所述的干燥是指在真空干燥箱內(nèi)40 100°C干燥保存。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，其特征是，所述的云母片為新解離的云母片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，其特征是，所述的紫外光照射是指在密閉的紫外燈小室內(nèi)采用功率在80 200W、主波長為275nm或 372nm的紫外燈進行照射1 60min，制成單層石墨烯的量子點薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，其特征是， 所述的紫外光照射的過程中控制氧化石墨烯/云母薄膜與紫外燈之間的光路距離為5 IOcm0
9.一種單層石墨烯的量子點薄膜，其特征在于，根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法制備得到。
全文摘要
一種納米材料技術(shù)領(lǐng)域的紫外光刻蝕干法制備石墨烯量子點的方法，通過將石墨烯溶液旋涂于云母片上，經(jīng)干燥得到氧化石墨烯/云母薄膜，經(jīng)紫外光照射后制備得到單層石墨烯的量子點薄膜。本發(fā)明以氧化石墨烯為原材料，采用紫外刻蝕并還原法，一步干法制備單層石墨烯量子點。
文檔編號B82Y20/00GK102208755SQ20111010995
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者崔大祥, 張佳利, 楊海軍, 沈廣霞 申請人:上海交通大學