低溫氫等離子體還原氧化石墨烯
還原氧化石墨烯是一種宏量制備石墨烯的有效方法，目前報(bào)道的還原方法包括物理和化學(xué)的方法，都存在各種各樣的問題，比如危害環(huán)境，不兼容低溫工藝等。本文提出了一種低溫氧化石墨烯還原的方法。利用氫等離子體和氧化石墨烯反應(yīng)，去除含氧官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)還原氧化石墨烯。經(jīng)過氫等離子體還原后，表征各個(gè)含氧官能團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度下降或者消失，Raman 光譜上D 峰強(qiáng)度的增加，都證實(shí)氧化石墨烯被還原。還原后薄膜電阻降低，確認(rèn)了該方法的可行性。
從2004 年安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫證明石墨烯可以自持存在開始，大量研究表明其具有突出的電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械學(xué)、光學(xué)等優(yōu)異性能。研究主要集中在以下三個(gè)方面，一是從物理學(xué)角度研究石墨烯的原子結(jié)構(gòu)、電子傳輸、自旋特性以及量子效應(yīng)等基本理論；二是嘗試不同的石墨烯制備和生產(chǎn)方法，以期望獲得高效、廉價(jià)的、晶格完美、無(wú)缺陷、可控的單層以及多層石墨烯薄膜；三是基于石墨烯和氧化石墨烯的各種應(yīng)用層面的器件研究。其中就宏量制備來講，從氧化石墨烯(GO)還原到不同程度的還原氧化石墨烯，是一種有潛力的方法。
大量的研究集中在采用何種方法還原氧化石墨烯，其中，化學(xué)還原法和高溫退火物理還原法倍受關(guān)注，N2H4可以高效的還原氧化石墨烯，然而其化學(xué)毒性，對(duì)環(huán)境不利；高溫退火僅僅可以去除部分的含氧官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)GO 的部分還原，且高溫工藝和目前IC 工藝不兼容。另外，各種堿還原，酸還原，激光還原，金屬粉末還原等方法陸續(xù)報(bào)道。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為這些方法均不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫、環(huán)境友好工藝。
本文報(bào)道了一種低溫等離子體還原GO 的方法，通過Raman 光譜、吸收光譜和電阻表征，證實(shí)了該方法的可行性。
1、實(shí)驗(yàn)方法以及性能表征
1.1、實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)用的GO 是采用Hummer 方法制備得到，制備所得的粉末狀GO，通過超聲均勻分散在水溶液中，后旋涂制備在白玻璃基底上，其表面形貌如圖1 (c)。還原工藝基本原理和裝置如圖1(a)所示，充入工藝氣體(氨氣)，產(chǎn)生低溫的氫等立體子，和GO 的氧官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，生成可揮發(fā)的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)GO 的還原。實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)控等離子體發(fā)射光譜，探測(cè)等離子體的成份。
圖1 (a)還原工藝基本原理和裝置,(b) 電阻測(cè)試，(c)GO 薄膜表面(光學(xué)顯微鏡)
1.2、測(cè)試
圖1(b)給出了電阻測(cè)試的示意圖，圖形化電極使用磁控濺射和掩膜制備，通過測(cè)試等離子體處理前和處理后的電阻， 表征其還原程度。
Raman 光譜測(cè)試采用了顯微拉曼光譜儀獲得，工作時(shí)的激發(fā)波長(zhǎng)為532 nm。吸收光譜是在ATR模式下測(cè)試得到。等離子體發(fā)射光譜采用了Avantes 公司生產(chǎn)的九通道光譜儀測(cè)試得到，其光譜分辨率為0.03nm。
3、結(jié)論
本文利用低溫氫等離子體和GO 作用，荷能的氫粒子容易和含氧官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，生成可揮發(fā)的成份，實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的還原。吸收光譜的測(cè)試結(jié)果表明，還原后表征各個(gè)含氧官能團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度明顯下降；同時(shí)從Raman 光譜的演變上，也同樣印證了含氧官能團(tuán)被去除。電阻明顯降低，從宏觀性能進(jìn)一步證實(shí)了，該方法可以有效的還原氧化石墨烯。另外，我們建議了該方法的還原機(jī)制。
本文的研究成果，有望提供一種環(huán)境友好，兼容低溫工藝的還原方法，為GO 在光電子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中，提供一種制備的新途徑。當(dāng)然，還需要做進(jìn)一步的工作，比如如何實(shí)現(xiàn)特定官能團(tuán)的定向去除，這將實(shí)現(xiàn)人為的操控石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，將更有利于其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用。
