一种评估石墨烯薄膜洁净度的方法与流程

1.本发明涉及石墨烯薄膜，具体为一种可快速、无损、大面积评估石墨烯薄膜洁净度的方法。


背景技术：

2.石墨烯薄膜是一种由单层碳原子构成(体现六重对称性没有用处)的准二维材料。石墨烯在电学、光学、热学以及力学等方面表现出的优良性质，引起了物理、化学、生物和材料等领域的广泛关注。化学气相沉积方法制备的超洁净石墨烯薄膜可避免大量本征污染物的形成，具有优异的综合性质和广阔的应用前景。
3.然而，目前大面积石墨烯薄膜表面洁净度的评估方法非常有限，包括蒸镀、熏蒸和tem表征等方法。蒸镀和熏蒸表征石墨烯薄膜表面洁净度时，处理工艺复杂，而且会对石墨烯薄膜造成不可逆的损害，使其无法回收再利用。tem表征需要将石墨烯薄膜转移到合适的基底上，单次表征面积小，成本高。
4.基于现有表征石墨烯薄膜表面洁净度方法的局限性，发展一种快速无损大面积的石墨烯薄膜洁净度的评估方法对于降低研发成本，加快cvd石墨烯薄膜产业化进程都尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明的一个主要目的在提供一种评估石墨烯薄膜洁净度的方法，包括通过水与石墨烯薄膜的接触角的大小来判断所述石墨烯薄膜表面的洁净度，所述洁净度是指所述石墨烯薄膜表面的洁净面积占所述石墨烯薄膜表面面积的比例。
6.本发明一实施方式提供了一种评估石墨或氮化硼薄膜洁净度的方法，包括通过水与石墨或氮化硼薄膜的接触角的大小来判断所述石墨或氮化硼薄膜表面的洁净度，所述洁净度是指所述石墨或氮化硼薄膜表面的洁净面积占所述石墨或氮化硼薄膜表面面积的比例。
7.本发明一实施方式的方法，可快速、无损、大面积评估石墨烯薄膜的洁净度。
附图说明
8.图1为本发明实施例1的已知洁净度的石墨烯薄膜的透射电镜图；
9.图2为本发明实施例1的已知洁净度的石墨烯薄膜表面接触角的测试图；
10.图3为本发明实施例1的待测石墨烯薄膜表面接触角的测试图；
11.图4为本发明实施例1的待测石墨烯薄膜的透射电镜图；
12.图5为本发明实施例2的已知洁净度的石墨烯薄膜的透射电镜图；
13.图6为本发明实施例2的已知洁净度的石墨烯薄膜表面接触角的测试图；
14.图7为本发明实施例2的待测石墨烯薄膜表面接触角的测试图；
15.图8为本发明实施例3的待测石墨烯薄膜表面接触角的测试图；
16.图9为本发明实施例4评估石墨烯薄膜表面大面积洁净度的接触角的测试图。
具体实施方式
17.体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
18.本发明一实施方式提供了一种评估石墨烯薄膜洁净度的方法，包括通过水与石墨烯薄膜的接触角的大小来判断石墨烯薄膜表面的洁净度，其中，洁净度是指洁净面积占石墨烯薄膜表面面积的比例，该表面指的是上表面，也就是转移到功能衬底上暴露在外的表面。
19.本发明一实施方式的方法，通过水的辅助，可快速、无损、大面积评估石墨烯薄膜的洁净度。
20.本发明一实施方式的评估石墨烯薄膜洁净度的方法，包括如下步骤：
21.分别制备已知洁净度的石墨烯薄膜样品和待测石墨烯薄膜；由透射电镜结果确认已知洁净度的石墨烯薄膜样品的洁净度为m；
22.分别对已知洁净度的石墨烯薄膜样品与水滴的接触角θm、待测石墨烯薄膜与水滴的接触角θ
x
进行测量，其中，若θ
x
＜θm，则待测石墨烯薄膜的洁净度大于m；若θm＜θ
x
，待测石墨烯薄膜的洁净度小于m；若θ
x
＝θm，则待测石墨烯薄膜洁净度为m。
23.于一实施方式中，待测石墨烯薄膜与水的接触角θ
x
的度数越接近或者小于已知洁净度的石墨烯薄膜与水的接触角θm，其洁净面积越大，洁净度越高；接触角θ
x
相较于θm越大，则洁净面积越小，洁净度越低。
24.于一实施方式中，已知洁净度的石墨烯薄膜可通过二氧化碳洁净制备工艺生长制得。
25.于一实施方式中，二氧化碳洁净制备工艺包括：将铜基底置于管式炉中，通入碳源气体和氢气进行化学气相沉积，沉积完毕后在另一加热温区通入二氧化碳进行处理，处理完毕后得到所述洁净石墨烯；其中，通入二氧化碳对石墨烯进行处理步骤中，二氧化碳的流量为100～1000sccm，处理温度为400～600℃，处理时间为不小于1h，压强为100～1000pa。具体可参见cn107539976b。
26.于一实施方式中，待测或已知洁净度的石墨烯薄膜与水滴的接触角的测定方法包括：
27.(1)将适量水滴在石墨烯薄膜样品表面；
28.(2)读取水滴与样品表面的接触角大小；
29.(3)除去石墨烯薄膜样品表面水分，可得到无损伤、可重复利用的样品。
30.于一实施方式中，可通过注射器、滴管或移液枪将适量水滴在石墨烯薄膜样品表面。
31.于一实施方式中，可通过雾化器等使水雾化并过饱和，从而在石墨烯薄膜样品表面凝聚。
32.于一实施方式中，水滴的体积可以为1μl～10ml，进一步可以为4μl～1ml，例如2μl、5μl、10μl、50μl、100μl、500μl、2ml、5ml、8ml等。
33.于一实施方式中，可通过静态接触角测试软件读取水滴和石墨烯薄膜样品表面之间接触角的大小。
34.于一实施方式中，可通过给位于石墨烯薄膜表面的水滴进行拍照，并画出气-液界面的切线，直接测量水滴和石墨烯薄膜样品表面之间接触角的大小。
35.于一实施方式中，可通过手机等设备拍照，ps处理读取水滴和石墨烯薄膜样品表面之间接触角的大小。
36.于一实施方式中，步骤(3)包括：利用氮气、空气或其他不与水及石墨烯薄膜样品反应的气体吹扫样品表面，以除去石墨烯薄膜样品表面的水分。
37.于一实施方式中，步骤(3)包括：在100～200℃的温度下加热石墨烯薄膜，以除去石墨烯薄膜样品表面的水分。
38.于一实施方式中，步骤(3)包括：将石墨烯薄膜置于负压体系中，将水汽抽干。
39.于一实施方式中，负压体系的压强可以是3pa～100pa，例如5pa、10pa、20pa、50pa、80pa等。
40.本一实施方式的方法，可进行快速、无损、大面积表面洁净度评估的是石墨烯薄膜或石墨、氮化硼等材料。
41.本一实施方式的方法，可用于无损大面积评估石墨烯薄膜的洁净度，其中，无损是指水不与石墨烯薄膜表面发生反应，而且快速被吹干，样品表面不受损坏，样品可重复使用。
42.本一实施方式的方法，大面积评估区别于现有的纳米微米级洁净度评估，可以实现包括但不限于分米级石墨烯薄膜洁净度评估。
43.于一实施方式中，评估石墨、氮化硼等材料的洁净度的方法与评估石墨烯薄膜洁净度的方法相同。
44.于一实施方式中，评估石墨(或氮化硼)洁净度的方法包括：
45.分别制备已知洁净度的石墨(或氮化硼)和待测石墨(或氮化硼)；
46.在已知洁净度的石墨制备完成后，测量已知洁净度的石墨与水滴的接触角θ1的数值；
47.在待测石墨制备完成后，测量待测石墨与水滴的接触角θ2的数值；以及
48.将θ1和θ2相比较，其中θ1样品的洁净面积为n，若θ1《θ2，则待测石墨烯薄膜的洁净度也就是洁净面积小于n；若θ1＝θ2，则待测石墨烯薄膜的洁净度也就是洁净面积为n；若θ1》θ2，则待测石墨烯薄膜的洁净度也就是洁净面积大于n。
49.于一实施方式中，用于表面洁净度评估的石墨烯薄膜或石墨烯等材料表面的大小为0.5cm2～10m2。
50.本一实施方式的方法，评估石墨烯薄膜样品表面洁净度时，样品不会损坏，可以重复利用。
51.以下结合附图及具体实施例对本发明一实施方式的评估石墨烯薄膜洁净度的方法进行进一步说明。其中，所使用的原料均为市售获得。
52.实施例1
53.s1：取已知洁净度的石墨烯薄膜样品，透射数据结果如图1所示，确定其洁净面积为95％；
54.取已知洁净度的石墨烯薄膜样品，通过石英片压平，放置于测试水平台面上；
55.s2：取未知石墨烯薄膜洁净度样品(待测石墨烯薄膜)，通过石英片压平，放置于测试水平台面上；
56.s3：取去离子水装入注射器中，分别在已知洁净度的石墨烯薄膜样品的表面和待测石墨烯薄膜样品的表面滴4μl水滴；
57.s4：通过静态接触角测试软件读取水滴与已知洁净度的石墨烯薄膜样品表面和待测石墨烯薄膜样品表面的接触角大小，测得已知洁净度的石墨烯薄膜样品表面的接触角θ1如图2为32
°
，测得待测石墨烯薄膜样品表面的接触角θ2如图3为48
°
；与已知洁净度的石墨烯样品比较发现θ1《θ2，并且对比了待测样品的透射数据(如图4所示)，明确表明样品洁净度低于95％；
58.s5：通过氮气枪吹扫样品表面除去水滴，将样品封装保存。
59.实施例2
60.s1：取已知洁净度的石墨烯薄膜样品，透射数据结果如图5所示，确定其洁净面积为90％；取已知洁净度的石墨烯薄膜样品，通过石英片压平，放置于测试水平台面上；
61.s2：取未知石墨烯薄膜洁净度样品(待测石墨烯薄膜)，通过石英片压平，放置于测试水平台面上；
62.s3：取去离子水装入注射器中，分别在已知洁净度的石墨烯薄膜样品的表面和待测石墨烯薄膜样品的表面滴4μl水滴；
63.s4：通过静态接触角测试软件读取水滴与已知洁净度的石墨烯薄膜样品表面和待测石墨烯薄膜样品表面的接触角大小，测得已知洁净度的石墨烯薄膜样品表面的接触角θ3如图6为42.3
°
，测得待测石墨烯薄膜样品表面的接触角θ4如图7为72.8
°
；与已知洁净度的石墨烯样品比较发现θ3《θ4，表明待测石墨烯薄膜样品的洁净度低于90％；
64.s5：通过氮气枪吹扫样品表面除去水滴，将样品封装保存。
65.实施例3
66.s1：取待测石墨烯薄膜样品，通过石英片压平，放置于测试水平台面上；
67.s2：使用移液枪滴1ml的水滴于待测石墨烯薄膜样品；
68.s3：同样取实施例2已知洁净度的样品进行上述操作，通过手机拍取照片，经过ps软件处理读取接触角角度，测的样品接触触角θ5为45
°
；再取待测样品通过手机拍取照片，经过ps软件处理读取接触角角度，测得样品表面的接触角θ6如图8为67
°
；与洁净石墨烯样品比较发现θ5《θ6，表明样品洁净度低于90％；
69.s4：通过氮气枪吹扫样品表面除去水滴，将样品封装保存。
70.实施例4
71.s1：取待测石墨烯薄膜样品，通过石英片压平，放置于测试水平台面上；
72.s2：取去离子水装入注射器中，将4μl水滴于待测石墨烯薄膜样品表面；
73.s3：通过静态接触角测试软件读取水滴与大面积均匀石墨烯薄膜样品表面的接触角大小和待测石墨烯薄膜样品表面的接触角大小，已知大面积均匀样品表面接触角测量值在为50
°±5°
范围内，图9为待测石墨烯薄膜表面评估大面积均匀洁净度的测试图，从图中可以看出样品表面接触角均为50
°±
10
°
，表明待测石墨烯样品表面整体较均匀，较洁净；
74.s4：通过氮气枪吹扫样品表面除去水滴，将样品封装保存。
75.除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
76.本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。