[發明專利]一種制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201210120753.7
• 申請日: 2012-04-23
• 公開（公告）號: CN102627274A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發明（設計）人: 王庶民;龔謙;謝曉明;王海龍;狄增峰;丁古巧;柳慶博
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 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

本發明屬于無機化合物技術領域，尤其涉及一種以CBr₄為源材料利用分子束外延(MBE)或者化學氣相沉淀(CVD)等方法直接制備石墨烯的方法。

背景技術

碳元素(C)可以說是自然界最為神奇的元素，它是構成地球上生命體不可或缺的元素，所有的生物體都含有大量的碳元素。碳元素也可以構成許多性質奇特的材料，例如，它不僅可以構成已知最為堅硬的金剛石，也能夠形成較軟的石墨。在納米世界，碳元素除了可以形成神奇碳納米管(Carbon?Nanotube)、富勒烯(Fullerene)外，2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆(Andre?Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin?Novoselov)在實驗室中得到僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯(Graphene)。因研究二維材料石墨烯的開創性實驗，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯是迄今為止導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。由于石墨烯具有超薄、強度超大的特性，使其可被廣泛應用于各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據其優異的導電性，其在微電子領域也具有巨大的應用潛力。而在未來，石墨烯有望取代傳統硅材料，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機，碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優良的改性劑，在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導性、高比表面積、透明等特點，可適用于作為電極材料。石墨烯也可以作為超薄、超強、透明的柔性導體，來替代脆性、昂貴的氧化銦錫，在觸摸屏、液晶顯示和太陽能電池等方面獲得廣泛應用。總之，石墨烯的應用范圍廣闊，它的出現有望在現代電子科技領域引發新一輪革命。

然而石墨烯物理性能和潛在應用的實現離不開高質量、低成本、大規模石墨烯的制備。當前制備石墨烯的主要方法有：微機械剝離法、化學氣相沉積法、SiC表面石墨化法、有機分子分散法、離子插層法、溶劑熱法、氧化還原法、C摻雜析出法等。微機械剝離法是采用離子束對物質表面刻蝕，并通過機械力對物質表面進行剝離制備石墨烯。但由于工藝復雜，制備的石墨烯產率低，不能滿足工業化需求，在一定程度上限制了規模化生產。化學氣相沉積法是利用化學反應在基底表面形成石墨烯薄膜的薄膜生長方法，已有通過CH₄分解、還原CO生成氣態碳原子，產物沉積在基底表面，生成二維石墨烯薄膜。由于CH₄分解溫度很高，這種方法只能適用于耐高溫的少數材料基底。SiC表面石墨化法是在超高真空下將4H-SiC或6H-SiC加熱到1300℃以上，SiC晶體表面的Si原子被蒸發后，碳原子發生重構，就可以在單晶Si面上生成二維石墨烯薄膜。這種方法制備出來的石墨烯薄膜厚度僅為1～2個碳原子層，具有高的載流子遷移率。但利用這種方法制備出來的石墨烯中并沒有觀測到量子霍爾效應，并且石墨烯表面的電子性質受SiC襯底的影響很大，進一步研究仍在進行中。有機分子分散法將石墨在有機溶劑中超聲分散得到石墨烯的一種方法，這種方法得到的石墨烯缺陷少，但濃度不高。離子插層法首先制備石墨層間化合物，然后在有機溶劑中分散制備石墨烯，這種方法制備石墨烯分散度較低。溶劑熱法是將反應物加入溶劑，利用溶劑在高于臨界溫度和臨界壓力下，能夠溶解絕大多數物質的性質，可以是常規條件下不能發生的反應在高壓下能夠以較低的溫度進行，或加速進行。這種方法發展時間短，現階段許多理論和技術問題仍不能突破，有待進一步探索。氧化還原法是將石墨氧化得到在溶液中分散的氧化石墨烯，再用還原劑還原制備石墨烯；其成本低、產率高，但強氧化劑完全氧化過的石墨難以完全還原，導致其一些物理、化學等性能，尤其是導電性能的損失。C摻雜析出法是利用MBE生長C摻雜的GaAs材料，通過提高溫度使GaAs分解，其中C原子析出形成石墨烯，這種方法可控性很低，生成的石墨烯質量比較低，仍然處于摸索階段。這就要求提高現有制備工藝的水平，目前石墨烯的制備仍然是這一領域的技術難題。

我們發明的利用CBr₄作為源材料直接制備石墨烯的便捷方法，可以在許多材料襯底上制備出大面積連續的石墨烯薄膜材料，而且現有的半導體加工技術也可以對石墨烯薄膜材料進行剪裁修飾，使得該方法制備出的石墨烯材料在微電子和光電子領域有著巨大的應用潛力。

發明內容