本发明涉及薄膜，具体为一种单层稳定石墨烯基薄膜及其制备方法。
背景技术：
1、石墨烯要能广泛的应用，其前提是要制得严格意义上具有单层厚度的石墨烯材料，而目前常使用的方法有机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化石墨还原法。机械剥离法可以获得质量很高的石墨烯样品，但是其操作步骤繁琐，效率低，产量小。氧化石墨还原法所使用的氧化剂对石墨层有破坏作用，所得的石墨烯质量差且有较多的缺陷。以上各种方法还有一个缺陷，即不能制得厚度均一且具有单原子层厚度的石墨烯材料。且以单层石墨烯制备薄膜不能满足对薄膜稳定性的需求，需要对单层石墨烯基进行适当的改性与制备工艺优化。
2、石墨烯纳米片层间较强的范德华力以及石墨烯的疏水性质使得石墨烯片层极易层层堆积，如何合成高性能的单层石墨烯薄膜是石墨烯基薄膜研究中的关键问题，构筑石墨烯基多孔三维框架结构穿插金属离子是一种非常有效的方法。相较原始石墨烯及其他形态结构的石墨烯基材料，基于其三维网络及多孔结构特征，三维框架结构的石墨烯基材料表现出更为优异的物理化学性质。三维石墨烯材料，在结构上不同于二维的石墨烯，它有效的克服了二维石墨烯易团聚，难分散，很难获得高比表面积的缺点。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种单层稳定石墨烯基薄膜及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种单层稳定石墨烯基薄膜，所述薄膜为气相沉积单层石墨烯制备三维结构穿插金属铟，与偶联剂结合进行物理改性后制得。
3、进一步的，所述三维结构穿插金属铟离子为通过磁控溅射轰击使得铟颗粒在冲击破碎下形成带锐利角度的粒子，从而与三维石墨烯碳离子悬键结合。
4、进一步的，所述物理改性为对薄膜进行摩擦点微等离子体处理改性，使产生的氧离子附着在薄膜表面，再通过升温的方式可以使其得到部分脱附。
5、进一步的，一种单层稳定石墨烯基薄膜的制备方法，包括以下制备步骤：
6、(1)将铜箔分别用丙酮，无水乙醇和去离子水中于30khz功率超声清洗10min；将清洗干净的铜箔，用石英舟承载，置于炉管内稳定温区，封闭管口；打开真空泵，抽出系统内的空气，待真空度达到-0.1mpa时，关闭出气口阀门，通入h2至系统内为常压，此时关闭h2，打开出气口阀门继续抽真空，如此反复共两次；打开管式炉加热功能，对铜箔进行退火处理；退火完毕，保持h2流速，调整温度为1000-1060℃，通入ch4，流量控制在10-50sccm，反应时间为10-50min，反应完成后关闭ch4；关闭管式炉加热功能，在保持h2流速不变的情况下降温；待降至室温后，关闭h2，打开通气阀至系统内为常压，取出样品得到单层石墨烯；
7、(2)配制12-16份质量分数为5-15％的乙基纤维素的乙醇溶液，60rpm速度搅20min拌均匀后再加入9.8份松油醇和9.2份无水乙醇；最后加入准备好的0.1-0.2份研磨后的单层石墨烯粉末，150-250rpm速度磁力搅拌20-30min，再40khz超声分散20min，交替3-5次；然后再50℃、600-1000rpm搅拌蒸发直至不再减重，再加入0.5-0.7份乙酰丙酮和0.6-0.8份op乳化剂，100rpm速度搅拌30min后得到石墨烯浆料；在清洗干净的fto玻璃导电面丝网印刷3-5层石墨烯浆料，放置鼓风干燥箱80-120℃预处理20min，然后再重复印刷，于100-150℃固化2-4h，再印刷上3-5层的石墨烯浆料，最后在马弗炉中100-400℃进行热处理1h，冷却至常温制得三维石墨烯；
8、(3)开启磁控溅射真空室内的氢源，并通过100-150w的射频功率溅射氢气产生氢等离子体，使用氢等离子体轰击三维石墨烯；以单晶sic为衬底，将轰击后的三维石墨烯平铺在衬底之上，升温至450-550℃后，打开金属束流源的挡板进行金属铟原子的沉积；再开启磁控溅射真空室内的氮源，通过100-150w的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使用氮等离子体轰击沉积后的复合物；然后在500-750℃下进行退火，保持15-30min得金属铟穿插三维石墨烯；
9、(4)在50份干燥的二甲基甲酰胺中加入10份金属铟穿插三维石墨烯和10-14份硅烷偶联剂，60rpm速度搅拌30min，在20-50℃反应12-24h，冷却至室温后过滤，用二甲基甲酰胺洗涤2次，50℃烘干至恒重，得表面改性后石墨烯；将5-50份表面改性后石墨烯加入到50-100份二甲基甲酰胺中超声分散均匀，而后再加入100份对苯二甲酸、35-45份乙二醇、1-2份催化剂和1-2份稳定剂，以60-180rpm速度搅拌20-60min，然后减压至102pa，同时升温至250-280℃进行缩聚，时间为30-180min，出料即得聚酯pet切片；将聚酯切片在160-180℃下干燥2-4h后，经挤出机在265-295℃温度下挤出，再经12-20℃冷鼓制成铸片；经过双向拉伸制得厚度为3-20μm的石墨烯基薄膜；
10、(5)通过摩擦电微等离子体对薄膜进行改性，摩擦纳米发电机选用铜膜作为正极材料，聚四氟乙烯作为负极材料，将铜箔和聚四氟乙烯分别裁剪成10cm×10cm大小的正方形，然后粘贴在相同大小的亚克力板上作为两个固定电极，摩擦纳米发电机的运动通过线性马达进行控制，摩擦纳米发电机输出的高电压作用于薄膜上方的针尖，控制放点电流在4.5-6.5μa之间，针尖与薄膜之间的距离为0-1mm，时间为0-14s，然后于160-200℃处理5-15min后，制得稳定的石墨烯基薄膜。
11、进一步的，所述步骤(1)退火处理工艺条件：温度为1050℃，时间20min，氢气流速10sccm，真空表显示压强约为-0.1mpa。
12、进一步的，所述步骤(2)中单层石墨烯研磨工艺为：氧化钴球磨珠与单层石墨烯的球料质量比为2000-10000：1，转速为200-400rpm，球磨时间10-30h。
13、进一步的，所述步骤(3)中沉积工艺条件为加热电流为2.0-3.0a，加热温度为950-1020k，加热时间15-25min。
14、进一步的，所述步骤(4)中硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或硅烷偶联剂kh550其中的一种。
15、进一步的，所述步骤(4)中催化剂为三氧化二锑。
16、进一步的，所述步骤(4)中稳定剂为磷酸三苯酯。
17、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
18、本发明气相沉积单层石墨烯制备三维结构穿插金属铟，与偶联剂结合制备薄膜后物理改性，以实现稳定、导电的效果。
19、首先，利用气相化学沉积法制备单层石墨烯薄膜，随着制备反应时间的增加，裂解的碳原子不断在铜箔表面上以活性核心为中心连接生长成膜，单晶尺寸随之增大，晶粒基本上互相平行取向以达到均匀的单层结构；而这种由单层六角元胞碳原子构成的蜂窝状二维晶体形成的石墨烯单体薄膜，在其周围将会出现碳原子的大量悬键，其他并未参与成核的碳原子与之连接，导致单层石墨烯结构不够稳定；以单层石墨烯为基础建构出三维立体多孔结构，这种多维结构有效的提高了石墨烯的比表面积，为后续金属颗粒的掺杂提供有利条件；利用纳米级的铟颗粒穿插其中，通过磁控溅射轰击使得铟颗粒在冲击破碎下形成带锐利角度的粒子，从而与碳离子悬键产生的羟官能团、羧官能团、羰官能团相结合，解决悬键带来的不稳定性的同时，进一步提高薄膜整体的导电能力。制备形成的石墨烯与衬底的相互作用较弱，为分离态的石墨烯，达到了离化的效果，在后续制备过程中不易团聚，稳定均匀地分散在树脂中。
20、其次，以硅烷偶联剂为助剂与石墨烯层化学链接，一方面改善其在树脂中的稳定性，一方面使其表面改性后不易团聚破坏其三维结构；石墨烯层在树脂中，对整体进行摩擦点微等离子体处理改性，使产生的氧离子附着在薄膜表面，改善了材料的电学性能，提高其导电性；同时氧离子在薄膜的状态并不稳定，再通过升温的方式可以使其得到部分脱附，从而实现对薄膜结构稳定性的调控，使得薄膜在提高电学性能的同时兼顾稳定性。
1.一种单层稳定石墨烯基薄膜，其特征在于，所述薄膜为气相沉积单层石墨烯制备三维结构穿插金属铟，与偶联剂结合进行物理改性后制得。
2.根据权利要求1所述的一种单层稳定石墨烯基薄膜，其特征在于，所述三维结构穿插金属铟离子为通过磁控溅射轰击使得铟颗粒在冲击破碎下形成带锐利角度的粒子，从而与三维石墨烯碳离子悬键结合。
3.根据权利要求1所述的一种单层稳定石墨烯基薄膜，其特征在于，所述物理改性为对薄膜进行摩擦点微等离子体处理改性，使产生的氧离子附着在薄膜表面，再通过升温的方式可以使其得到部分脱附。
4.一种单层稳定石墨烯基薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
5.根据权利要求4所述的一种单层稳定石墨烯基薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)退火处理工艺条件：温度为1050℃，时间20min，氢气流速10sccm，真空表显示压强约为-0.1mpa。
6.根据权利要求4所述的一种单层稳定石墨烯基薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中单层石墨烯研磨工艺为：氧化钴球磨珠与单层石墨烯的球料质量比为2000-10000：1，转速为200-400rpm，球磨时间10-30h。
7.根据权利要求4所述的一种单层稳定石墨烯基薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中沉积工艺条件为加热电流为2.0-3.0a，加热温度为950-1020k，加热时间15-25min。
8.根据权利要求4所述的一种单层稳定石墨烯基薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或硅烷偶联剂kh550其中的一种。
9.根据权利要求4所述的一种单层稳定石墨烯基薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中催化剂为三氧化二锑。
10.根据权利要求4所述的一种单层稳定石墨烯基薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中稳定剂为磷酸三苯酯。
