[發明專利]一種常壓化學氣相沉積大面積高質量雙層石墨烯薄膜的可控制備方法

有效

• 申請號: 201210585747.9
• 申請日: 2012-12-29
• 公開（公告）號: CN103352202A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 任兆玉;王惠;祁媚;李渭龍
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/44;C23C16/02
• 代理公司: 西安西達專利代理有限責任公司 61202
• 代理人: 謝鋼

技術領域

本發明涉及一種常壓化學氣相沉積大面積高質量雙層石墨烯薄膜的可控制備方法。

背景技術

2004年，英國曼徹斯特大學Geim研究組通過機械剝離法發現石墨烯，作為第一種被發現的二維材料，因其獨特的能級結構和光電力學特性（高響應速度、高透過率、高載流子密度、高機械強度等）很快成為各個學科的研究熱點。隨著對石墨烯的深入研究，可控制備具有特定功能和不同應用的石墨烯薄膜成為急需解決的問題。單層石墨烯是零帶隙半導體，雙層石墨烯同樣為零帶隙半導體，但最新發現雙層石墨烯具有更優于單層石墨烯的部分特性，如更高的載流子遷移率。并且在兩層石墨烯之間加電壓破壞其對稱性，可改變石墨烯的帶隙，這一發現突顯出雙層石墨烯薄膜在光電子應用方面的巨大潛力。然而在多種制備石墨烯的方法中(微機械剝離法、液相或氣相直接剝離法、晶體外延生長法、氧化還原法、電化學法等)，化學氣相沉積法是有望實現大規模、大面積、可控制備石墨烯的一種最有效方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種常壓化學氣相沉積大面積、高質量雙層石墨烯薄膜的方法，通過優化石墨烯薄膜的制備參數，克服了常壓下石墨烯制備方法的缺陷，快速制備出缺陷少、均勻性好的高質量雙層石墨烯薄膜。

為了解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案：

一種常壓化學氣相沉積雙層石墨烯膜的方法，包括以下步驟：

（1）銅箔預處理

銅箔用乙醇和丙酮超聲清洗；

（2）銅箔退火

銅箔在H₂和Ar流速比為1：2～2：1的混合氣中于850～1050^oC下退火；

（3）雙層石墨烯膜的生長

銅箔在H₂和Ar流速比為1:9～1:100的混合氣中于850～1050^oC下保持10～30分鐘，在不改變H₂和Ar流速和反應溫度的情況下，繼續通入0.5～3?sccm?乙炔氣，生長7～30分鐘；

（4）冷卻

溫度降至700^oC以下停止通入氫氣，冷卻至室溫。

上述步驟（2）中，H₂和Ar流速分別為200～300sccm，銅箔退火時間大于20分鐘。

上述步驟（3）中，H₂和Ar流速比優選為1:15～1:30，最優選為1:19，H₂和Ar總流速為800～1200sccm，沉積溫度最好為950～1050^oC，優選為1000^oC。最佳沉積條件是：銅箔在乙炔氣流速為1sccm下生長10分鐘。

本發明與現有技術相比具有以下優點：（1）本發明可形成與制備面積相同的完整的石墨烯膜。（2）本發明制備的雙層石墨烯質量高，克服了常壓制備石墨烯方法的缺陷。通過對石墨烯樣品隨意抽取10個點，測量其拉曼光譜，所得拉曼光譜幾乎均無D峰，G峰與2D峰比值為1：1，2D峰的位置有1cm^-1到3cm^-1的移動，半高寬有1cm^-1到5cm^-1的移動，均在雙層石墨烯薄膜的拉曼特征值范圍內。

附圖說明

圖1為本發明制備流程圖；

圖2為銅箔退火時不同氫氣與氬氣流速下制備的石墨烯的拉曼光譜圖；

圖3為不同生長溫度選擇條件下制備的石墨烯的拉曼光譜圖；

圖4為石墨烯生長過程不同氫氣和氬氣流速下制備的石墨烯的拉曼光譜圖；

圖5為將高質量雙層石墨烯轉移到二氧化硅/硅基底上的照片。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。