[發(fā)明專利]一種石墨烯薄膜的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110215856.7
• 申請日: 2011-07-29
• 公開（公告）號: CN102897750A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐明生;陳紅征;施敏敏;吳剛;汪茫
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯薄膜，尤其涉及一種石墨烯薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是由蜂窩狀的單層碳原子組成的二維結(jié)構(gòu)材料，又被稱為單層石墨；在物理特性上，通常認為十層以上石墨烯堆積的材料就是三維結(jié)構(gòu)的石墨，碳納米管是由石墨烯滾成桶狀的一維納米材料。石墨烯具有卓越的二維電學、光學、熱學、力學性能以及化學穩(wěn)定性，其獨特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的晶體學質(zhì)量使得其在超快速微納光電子器件，射頻器件，潔凈能源和各類傳感器等領(lǐng)域具有重要的實用價值。比如，電子在石墨烯里遵循相對論量子力學，沒有靜質(zhì)量，以1/300光速的超高速度運行，表現(xiàn)出奇異的室溫量子霍爾效應及彈道輸運現(xiàn)象，可制備室溫彈道輸運晶體管，被視為未來信息納米器件的重要基礎(chǔ)新材料；石墨烯電子傳輸速度是硅的150倍，有望制備出速度達到兆赫的超快速計算機與射頻器件；石墨烯的單分子度的敏感性有望在各種傳感器，如氣體傳感器和生物傳感器等領(lǐng)域得到廣泛應用；石墨烯具有2.3%光吸收的光學特性，使其可以用于制備超快速光探測器和鎖模激光器，另一方面，由于極低的光吸收特性，使得石墨烯既可用于制備光電子器件，如發(fā)光二極管和太陽能電池等的透明電極，從而取代成本昂貴、資源稀少、不可折疊的以銦為主要成分的ITO透明導電膜，也可用于制備超級電容器和鋰離子電池；基于石墨烯的有機光伏打電池的能量轉(zhuǎn)換效率可望達到24%。

石墨烯薄膜的制備方法包括機械剝離法[K.?S.?Novoselov,?et?al.?Science?306,?666?(2004).]、溶液剝離法[X.?L.?Li,?et?al.?Science?319,?1229?(2008).]、化學氧化還原法[D.?A.?Dikin,?et?al.?Nature?448，457?(2007).?Z.?S.?Wu,?et?al.?Carbon?47,?493?(2009).]?、碳化硅熱分解法[C.?Berger,?et?al.?Science?312,?1191?(2006);?A.?Tzalenchuk,?et?al.?Nature?Nanotechnol?5，186?(2010).]?、化學氣相沉積法(CVD)[C.?A.?Di,?et?al.?Adv.?Mater.?20,?3289?(2008);?A.?Reina,?et?al.?Nano?Lett.?9,?30?(2009);?K.?S.?Kim,?et?al.?Nature?457,?706?(2009).]?、碳偏析法(segregation)等。其中機械剝離法、溶液剝離法和化學氧化還原法制備出的石墨烯薄膜的形狀基本上都是無規(guī)的，石墨烯薄膜的層數(shù)和尺寸很難控制；盡管機械剝離法能夠產(chǎn)生完美晶格的石墨烯，但僅適應于基礎(chǔ)研究，不適合大規(guī)模應用。碳化硅熱分解法是一種固體碳源生長石墨烯薄膜的方法，其基本步驟包括在超高真空下，以1400℃左右的高溫處理碳化硅，使硅原子蒸發(fā)掉而讓碳原子在碳化硅表面形成石墨烯薄膜，此方法對制備條件要求很高、很苛刻，并且很難得到層數(shù)單一均勻的石墨烯薄膜。化學氣相沉積法(CVD)是使用氣態(tài)碳源在金屬催化層上生長石墨烯薄膜，除了利用氣態(tài)碳源外，也有利用固態(tài)碳源[J.?M.?Tour,?et?al.?Nature?468,?549?(2010)]和液態(tài)碳源[F.?Muller,?et?al.?Small?5,?2291?(2009)；Y.?Miyata,?et?al.?Applied?Physics?Letters?96,?263105?(2010)?]采用類似于化學氣相沉積法在有金屬催化的襯底上合成石墨烯薄膜。碳偏析法(segregation)是首先將碳原子摻雜于金屬催化層中，然后經(jīng)過熱處理使碳原子從金屬催化層中釋出，從而在金屬表面形成石墨烯薄膜。

化學氣相沉積法和碳偏析法可以大面積合成石墨烯薄膜，且在一定程度上可以較好地控制石墨烯薄膜的層數(shù)，適應于大規(guī)模應用，但必須采用金屬催化層而在這金屬催化襯底上合成石墨烯薄膜，合成溫度一般在650℃以上。這樣，實際應用石墨烯薄膜時必須將在金屬襯底上合成的大面積石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到其它目標襯底如絕緣襯底上才可以使用石墨烯薄膜；目前大面積轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜還存在很大的挑戰(zhàn)，因此，如果有技術(shù)方法能夠?qū)⑹┍∧ぶ苯由L在適合石墨烯薄膜特定應用技術(shù)的襯底如絕緣體或半導體襯底上，將不需轉(zhuǎn)移步驟，也可以避免由轉(zhuǎn)移過程而導致的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化；這將加速石墨烯技術(shù)發(fā)展和實際應用。

發(fā)明內(nèi)容