[發(fā)明專利]一種利用多苯環(huán)碳源低溫化學氣相沉積生長大面積石墨烯的方法

有效

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• 申請日: 2012-01-11
• 公開（公告）號: CN102433544A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設計）人: 謝曉明;沈鴻烈;吳天如;丁古巧;孫雷;唐述杰;江綿恒
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所;南京航空航天大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/52;C23C16/02
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術領域

本發(fā)明涉及一種石墨烯的制備方法，具體涉及一種利用多苯環(huán)碳源低溫化學氣相沉積生長大面積石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是單層原子厚度的石墨，具有二維蜂窩狀網格結構。由于石墨烯片平面內π軌道的存在，電子可在晶體中自由移動，使得石墨烯具有十分優(yōu)異的電子傳輸性能。由于具有優(yōu)異的力學、熱學、電學和磁學性能，石墨烯有望在高性能納電子器件、復合材料、場發(fā)射材料、氣體傳感器、能量儲存等領域獲得廣泛應用。石墨烯在結構上具有延展性，其電學、光學以及聲學特性都可以通過應力和形變進行大幅調整。甚至可以改變石墨烯的帶寬結構，對彎曲、折疊以及卷曲的石墨烯的研究也正開始加速。石墨烯擁有無與倫比的高電子遷移率，電荷在石墨烯中的遷移速率可以到達前所未有的200000cm²/vs，超過硅100倍以上。這一優(yōu)勢使得石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎材料而廣泛應用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。預計不久就會出現全由石墨烯構成的全碳電路并廣泛應用于人們的日常生活中。

傳統(tǒng)制備方法在制備石墨烯過程中所需要的襯底溫度大都在1000℃的高溫下，而且高純氣源價格均比較昂貴。這無疑為材料的應用帶來了很大的限制。因此尋找合適的實驗技術在較低溫的襯底上實現石墨烯的低溫生長的研究成為當前該領域人們極為關注的方向。目前主流的低溫襯底制備方法有等離子體輔助增強化學反應氣相沉積法，化學還原氧化石墨烯法等。但是采用這些方法直接沉積的石墨烯面積很小，結晶質量差，而且缺陷很多。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服以上現有技術的不足，提供一種利用多苯環(huán)碳源低溫化學氣相沉積生長大面積石墨烯的方法，以解決現有技術中制備的石墨烯面積小、結晶質量差、缺陷多的技術問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用固態(tài)或液態(tài)的多苯環(huán)芳香族碳氫化合物取代甲烷作為碳源，控制碳源的分解速率從而使腔室內碳活性基元達到足夠低的分壓，以實現使生長出的石墨烯的層數可控；并成功將其完整地轉移至各種柔性襯底上，幾乎沒有任何宏觀破損。

本發(fā)明具體采用如下技術方案：

一種低溫化學氣相沉積生長大面積石墨烯的方法，其特征在于：以多苯環(huán)芳香族碳氫化合物作為碳源，采用碳源分解法或碳源旋涂法在銅箔表面生長出石墨烯。

優(yōu)選的，所述多苯環(huán)芳香族碳氫化合物為苯或稠環(huán)芳烴。優(yōu)選的，所述稠環(huán)芳烴選自萘、蒽、菲、芘、苝和六苯并苯等物質。

較佳的，所述銅箔為純度不小于99.99％的無氧銅箔，其典型厚度為50-200微米。

較佳的，所述銅箔的表面粗糙度在50nm以下，優(yōu)選為30nm以下。

較佳的，在生長石墨烯之前，先將銅箔在保護氣氛下進行退火處理，以使Cu晶粒長大，表面平坦無缺陷，釋放銅箔表面應力。優(yōu)選的，所述退火過程的溫度保持在900-1050℃，氣壓在4000-10000Pa之間，退火時間控制在30-90min之間。

優(yōu)選的，所述保護氣氛為氬氣和氫氣的混合氣。更優(yōu)選的，所述氬氣與氫氣的體積流量比為10-20∶1。所用氣體純度均不小于99.999％。

較佳的，采用碳源分解法在銅箔表面生長石墨烯時，具體步驟包括：將碳源放置在管式爐的進氣端，將銅箔放置于所述管式爐的中央，控制所述管式爐中央區(qū)域溫度為400-700℃；通入載氣，并將碳源溫度升至80-350℃，在銅箔表面生長出石墨烯；然后，停止加熱，隨爐冷卻至室溫后取出生長有石墨烯的銅箔。

優(yōu)選的，采用碳源分解法在銅箔表面生長石墨烯時，所述碳源的重量為15-150mg。

較佳的，采用碳源旋涂法在銅箔表面生長出石墨烯時，具體步驟包括：將碳源溶于甲苯中制成混合液再旋涂于所述銅箔上，并將所述銅箔放置于管式爐中央；通入載氣，并將管式爐的爐溫升至400-700℃，在銅箔表面生長出石墨烯；然后，停止加熱，隨爐冷卻至室溫后取出生長有石墨烯的銅箔。

優(yōu)選的，所述混合溶液中，碳源與甲苯的重量體積比為5-20mg/ml。

優(yōu)選的，上述技術方案中，所述管式爐的升溫速度為20-50℃/min。當爐溫升至生長石墨烯所需的溫度時，保溫20-40min。

優(yōu)選的，上述技術方案中，石墨烯生長期間的工作氣壓為4000-10000Pa。

優(yōu)選的，上述技術方案中，所述載氣為氬氣和氫氣的混合氣。更優(yōu)選的，所述氬氣與氫氣的體積流量比為10-20∶1。所用氣體純度均不小于99.999％。

優(yōu)選的，上述技術方案中，所述載氣的流量為300-500sccm。