[發明專利]一種在基材上氣相沉積生長直立式石墨烯的方法

無效

• 申請號: 201210385969.6
• 申請日: 2012-10-12
• 公開（公告）號: CN102936010A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 陳紀文;柳星舟;李普仁
• 申請（專利權）人: 南昌綠揚光電科技有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 南昌佳誠專利事務所 36117
• 代理人: 文珊;閔蓉

技術領域

本發明涉及一種生長石墨烯的方法，具體涉及一種在基材上氣相沉積生長直立式石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯（Graphene）是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。具有優異的機械、電學、光學和化學性能，在微電子學、復合材料、透明導電薄膜和能量儲存等領域具有廣泛的應用前景。

石墨烯首次是在2004年由英國曼徹斯特大學教授A.Geim通過機械剝離法從石墨上層層剝離得到單層石墨片，即石墨烯。此種方法可以獲得極高質量石墨烯片，但是無法大量穩定生產石墨烯，多用于科學研究。除此之外，目前主要有三種生長石墨烯的方法：一、氧化石墨烯法。這種方法首先使石墨粉氧化，然后放入溶液內溶化，在基板上涂上薄薄的一層后再使其還原。其優點為制程的溫度較低而且方法簡單，缺點為采用折迭多個數十nm見方斷片的構造，已被氧化的石墨烯不能完全被還原。二、SiC基板熱分解法。這種方法是將SiC基板加熱至1300℃左右后除去表面的Si，剩余的C自發性重新組合形成石墨烯片。其優點為不會受原來SiC基板上存在的若干凹凸的影響，可像從上面鋪設地毯一樣形成石墨烯片，缺點為需要非常高的處理溫度，石墨烯片的尺寸不易達到數μm見方以上，而且很難轉印至其他基板，只能使用昂貴的SiC基板。三、化學氣相沉積（CVD）法。這種方法是在真空容器中將甲烷等碳素源加熱至1000℃左右使其分解，然后在Ni及Cu等金屬箔上形成石墨烯膜的技術。其優點是可大量穩定的制作出石墨烯，缺點為制作溫度過高，無法在不耐高溫基板上成長石墨烯。

????目前主要采用化學氣相沉積（CVD）法制備石墨烯，中國申請號201010505469.2具有負電子親和勢的分形石墨烯材料及其制備方法和應用，公開了一種采用超高溫化學氣相沉積（UT-CVD），在襯底上沉積直立交錯的單層和多層分形片狀石墨烯。其沉積的方向不可控，不能進行石墨烯的均勻生長。而高質量、均勻性、方向可控的直立式石墨烯的制備仍然是石墨烯領域的研究熱點。

發明內容

本發明的目的在于針對上面所述缺陷，提供一種通過電場輔助，在基材上氣相沉積生長直立式石墨烯的方法。

本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的。

一種在基材上氣相沉積生長直立式石墨烯的方法，包括以下步驟：

1）選擇一基材，基材厚度優選25um-200um，在基材表面上沉積至少一層金屬薄膜作為催化金屬層，沉積厚度優選100-500nm；

2）將沉積在基材上的催化金屬層轉入化學氣相沉積反應爐中，抽真空，基材升溫至1000-1200⁰C，然后通入至少一種碳基氣態反應物和載氣的混合氣體以及惰性氣體，形成等離子體，使其中至少一種碳基氣態反應物在高溫下藉由金屬催化劑分解，進而產生含碳的帶電離子或原子及其活性基團；

3）存在一個電場，電場方向垂直于基材平面，電場提供足夠的能量使帶電的碳基氣態離子團對基材進行轟擊，使碳元素溶于催化金屬層內；

4）降低基材溫度至600-1000⁰C，催化金屬層對碳的溶解度隨著溫度下降而降低，使碳元素過飽和析出至金屬表面，并在催化金屬層表面形成石墨稀薄膜；

5）維持基材溫度在800⁰C以上，降低基材表面的垂直電場強度，使碳基氣態離子團沿電場方向垂直基材外延生長，在催化金屬層表面形成直立式石墨烯；

6）提升反應爐溫度至1000-1200⁰C，利用氬氣、氫氣、氨氣電漿后續處理，去蝕刻掉sp2和sp3混合的非晶質碳膜，提升石墨烯的質量。

進一步地，在步驟1）中，所述基材選擇硅半導體或金屬材料作為基材；所述襯底采用鐵、鈷、鎳中的一種或多種元素混合的組合；

進一步地，在步驟3）中，所述碳基氣態反應物為甲烷、乙烯、乙炔中的一種或多種的混合氣體；所述載氣為氫氣、氨氣、氮氣中的一種或多種的混合氣體；所述惰性氣體為氮氣和氬氣中的至少一種，優選氬氣。

進一步地，在步驟3）中，保持碳基氣態反應物與載氣的氣體流量比例在1:1-8范圍內。

進一步地，在步驟3）中，所述電場強度為70-150V/cm；在步驟5）中，所述電場強度為10-70V/cm。