[發(fā)明專利]一種化學(xué)氣相沉積制備單層和多層石墨烯的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110153485.4
• 申請(qǐng)日: 2011-06-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102220566A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 瞿研
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 無(wú)錫第六元素高科技發(fā)展有限公司
• 主分類號(hào): C23C16/26
• 分類號(hào): C23C16/26
• 代理公司: 北京中恒高博知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11249
• 代理人: 夏晏平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯材料的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯，英文名Graphene，是碳原子按照六角排列而成的二維晶格結(jié)構(gòu)。?作為單層碳原子平面材料，石墨烯可以通過(guò)剝離石墨材料而得到。這種石墨晶體薄膜自2004年被曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)之后，石墨烯就成為科學(xué)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。石墨烯的厚度只有0.335納米，不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知所有的導(dǎo)體和半導(dǎo)體都快(石墨烯中電子的遷移速度達(dá)到了光速的1/300)。由于石墨烯的特殊原子結(jié)構(gòu)，其中載流子（電子和空穴）的行為必須用相對(duì)論量子力學(xué)(relativistic?quantum?mechanics)才能描繪。由于其高電子遷移率以及高透光率，石墨烯在可能被應(yīng)用在各種信息技術(shù)領(lǐng)域，例如作為透明導(dǎo)電電極應(yīng)用在平板顯示器上，或者作為溝道層應(yīng)用在高頻/射頻晶體管上。同時(shí)，作為單層碳原子結(jié)構(gòu)，石墨烯的理論比表面積高達(dá)2630?m²/g。如此高的比表面積使得以基于石墨烯的材料成為極有前途的能量?jī)?chǔ)存活性材料，?使得石墨烯材料有可能在儲(chǔ)氫、新型鋰離子電池、超級(jí)電容器或者燃料電池得到應(yīng)用。

目前有以下幾種制備方法：

1.?輕微摩擦法或撕膠帶發(fā)（粘貼HOPG）

這種方法簡(jiǎn)單易行，容易得到高質(zhì)量的石墨烯。但是產(chǎn)率極低，在一塊Si襯底上通常只能得到若干片微米見(jiàn)方的石墨烯。因此這種方法只適用于實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯，不適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

2.?加熱?SiC法

該法是通過(guò)加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001)?面上分解出石墨烯片層。具體過(guò)程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過(guò)電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1分鐘到20分鐘，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過(guò)幾年的探索，Berger等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。由于其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨

烯比較困難。

該方法可以實(shí)現(xiàn)大尺寸，高質(zhì)量石墨烯制備，是一種對(duì)實(shí)現(xiàn)石墨烯器件的實(shí)際應(yīng)用非常重要的制備方法，缺點(diǎn)是SiC過(guò)于昂貴，并且得到的石墨烯難以轉(zhuǎn)移到其他襯底上。

3.?化學(xué)分散法

氧化石墨是石墨在H₂SO₄、HNO₃、HClO₄等強(qiáng)氧化劑的作用下，或電化學(xué)過(guò)氧化作用下，經(jīng)水解后形成的。氧化石墨同樣是一層狀共價(jià)化合物，層間距離大約為0.8nm（石墨為0.335nm）依制備方法而異。一般認(rèn)為，氧化石墨中含有-C-OH、-C-O-C，甚至-COOH等基團(tuán)。和石墨不同，由于極性基團(tuán)的存在，氧化石墨片層具有較強(qiáng)的親水或極性溶劑的特性。因此，氧化石墨在外力，如超聲波的作用下在水中或其它極性溶劑中可以發(fā)生剝離，形成單層氧化石墨烯（graphene?oxide）。制得氧化石墨烯后，再通過(guò)化學(xué)還原使所制氧化石墨烯脫氧重新石墨化，保持其幾何形貌時(shí)可恢復(fù)部分其導(dǎo)電性。

該方法在氧化和還原過(guò)程中將天然石墨粉解離成單層石墨。其產(chǎn)品具有相當(dāng)高的粉末比表面積（>700?m²/g），且過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，因此該方法比較適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯材料。但是在氧化還原過(guò)程中只是部分還原其導(dǎo)電性（破壞了石墨烯本身的高電子遷移率）。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有石墨烯制備方法的缺陷，提供了一種制備超大面積單層或者多層石墨烯薄膜的方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

一種化學(xué)氣相沉積制備單層和多層石墨烯的方法，將金屬襯底置于真空管式爐或者真空氣氛爐中，在除去真空腔內(nèi)氧氣的情況下，將氫氣注入真空腔中，并升溫至800-1100攝氏度，再將碳源氣體注入真空腔中，即得沉積石墨烯的金屬襯底。

進(jìn)一步地，除去真空腔內(nèi)氧氣的方法是：

（1）將管式爐或氣氛爐的氣壓抽至極限真空狀態(tài)4～8×10^-2?Torr；

（2）以氣體流量1-100?sccm將純度高于99.99%的惰性氣體注入到真空腔中；

（3）關(guān)閉惰性氣體進(jìn)氣閥門，將管式爐或氣氛爐的氣壓抽至極限4～8×10^-2?Torr；