[發(fā)明專利]大規(guī)模石墨烯片：包含它的制品、組合物、方法以及器件

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201180039925.1
• 申請(qǐng)日: 2011-08-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103237754A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 埃蘭·T·約翰遜;羅正堂
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 賓夕法尼亞大學(xué)理事會(huì)
• 主分類號(hào): C01B31/00
• 分類號(hào): C01B31/00
• 代理公司: 中原信達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11219
• 代理人: 劉慧;楊青

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本專利申請(qǐng)要求2010年8月11日提交的題為“均勻的晶片尺寸的石墨烯的生長(zhǎng)”（Growth?of?Uniform?Wafer-Size?Graphene）的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)系列號(hào)61/372,589的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容在此引為參考。

政府支持的聲明

本發(fā)明是利用由國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局（Defense?Advanced?Research?Products?Agency）（DARPA）根據(jù)HR0011-09-C-0013修訂2授予的政府支持做出的。美國(guó)政府在本發(fā)明中具有一定權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯材料領(lǐng)域和石墨烯合成領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于石墨烯在電子器件和其他應(yīng)用中的使用潛力，石墨烯已在研究團(tuán)體中產(chǎn)生了極大的興趣。

對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)這種材料的渴望，已促成了對(duì)通過(guò)包括單晶SiC的超高真空退火和其他化學(xué)氣相沉積法在內(nèi)的方法來(lái)生長(zhǎng)大面積的單層（或幾層）石墨烯的方法的大量最新研究。然而，現(xiàn)有方法在石墨烯的性質(zhì)方面表現(xiàn)出顯著的變化，這對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的——石墨烯的均勻厚度是關(guān)鍵問(wèn)題，但是迄今為止的報(bào)告在控制這個(gè)參數(shù)方面僅顯示出有限的成功。因此，在本技術(shù)領(lǐng)域中，對(duì)于大面積的單層石墨烯片以及生產(chǎn)這樣的石墨烯片的相關(guān)方法存在著需求。

發(fā)明概述

在應(yīng)對(duì)所述挑戰(zhàn)的過(guò)程中，請(qǐng)求保護(hù)的發(fā)明首先提供了在平坦化的金屬基材的頂上生長(zhǎng)石墨烯片。請(qǐng)求保護(hù)的發(fā)明還提供了組合物，所述組合物包括含有至少約80%的單層石墨烯的石墨烯片。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，可進(jìn)一步理解發(fā)明概述以及下面的詳細(xì)描述。出于說(shuō)明本發(fā)明的目的，在圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案；然而，本發(fā)明不限于所公開(kāi)的具體方法、組合物和器件。此外，附圖不一定是按比例繪制的。在所述附圖中：

圖1示出了未拋光的Cu箔（a、b）以及生長(zhǎng)在Cu箔上并轉(zhuǎn)移到氧化的硅基材后的CVD-石墨烯膜（c、d）的光學(xué)圖像——插入圖是在圖1d中的點(diǎn)A處獲取的拉曼光譜；

圖2示出了在電拋光之前（a）和之后（b）的Cu箔的AFM表面形態(tài)圖像，用相同高度的顏色刻度尺顯示——（c）示出了在（a）和（b）中指示的位置的譜線輪廓，（d）示出了電拋光裝置的示意圖；

圖3示出了通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)在Cu箔上、然后使用PMMA方法轉(zhuǎn)移至300nm氧化物硅基材上的石墨烯的拉曼光譜（詳細(xì)情況參見(jiàn)全文）——分別地，生長(zhǎng)在未拋光的Cu箔上的石墨烯的拉曼光譜由下部的3條曲線示出，生長(zhǎng)在電拋光的Cu箔上的石墨烯的光譜由上部的3條曲線示出；

圖4示出了（a）使用41ppm甲烷原料濃度生長(zhǎng)在電拋光的Cu上的石墨烯的光學(xué)圖像；（b）從圖4（a）中所示的點(diǎn)A和B處獲取的拉曼光譜；（c）使用41ppm甲烷原料濃度生長(zhǎng)在電拋光的Cu上、然后轉(zhuǎn)移到氧化的Si基材上的石墨烯的光學(xué)顯微照片；（d）在圖4（c）中的點(diǎn)A和B處獲取的拉曼光譜；圖4（d）中的插入圖示出了2D帶的詳細(xì)情況；點(diǎn)A處的光譜是單個(gè)洛倫茲型（Lorentzian），表明這個(gè)區(qū)域是單層石墨烯，而點(diǎn)B處的2D峰是四種組分的卷積，這指示了雙層石墨烯；

圖5示出了在生長(zhǎng)在（a）原樣和（b）電拋光的Cu箔上的單層石墨烯上制造的典型石墨烯FET器件的電阻隨柵極電壓變化的曲線——插入圖是石墨烯FET器件的光學(xué)顯微照片；

圖6示出了幾種提出的非限制性的類似于自由基聚合的反應(yīng)途徑，用于解釋在化學(xué)氣相沉積期間石墨烯在不平坦的Cu金屬表面上的生長(zhǎng)，（a）烴類在加熱的Cu表面上解離；（b）石墨烯的成核和生長(zhǎng)；（c）當(dāng)兩個(gè)活性中心彼此反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)終止；（d）最終的石墨烯具有由表面粗糙度造成的亂層（turbostatic）結(jié)構(gòu)和無(wú)定形碳。

圖7示出（通過(guò)照片）了已被轉(zhuǎn)移到PDMS印模（stamp）上的石墨烯樣品；

圖8示出了（a）通過(guò)漂浮石墨（Kish?graphene）的微機(jī)械剝離獲得并被沉積在300nm硅晶片上的石墨烯的光學(xué)顯微照片，（b）圖（a）中點(diǎn)2處的單層和雙層石墨烯區(qū)域的拉曼光譜，以及（c）來(lái)自于圖8（a）中點(diǎn)1和3的單層石墨烯的拉曼光譜；并且

圖9示出了（a）生長(zhǎng)在Ni膜上、然后轉(zhuǎn)移到300nm氧化物硅基材上的石墨烯的光學(xué)圖像，以及（b）圖9（a）中點(diǎn)A的拉曼光譜。

詳細(xì)描述