[發明專利]一種石墨烯條帶的低溫化學氣相沉積制備方法

無效

• 申請號: 201310021420.3
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103086370A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 張濱;張穎;劉常升
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

?技術領域

本發明屬于半導體材料制備領域，具體涉及一種石墨烯條帶的低溫化學氣相沉積制備方法。

背景技術

石墨烯(graphene)是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢結構的材料，其獨特的晶體結構使單層石墨成為具有零帶隙的半導體材料代表，其中單層石墨烯納米條帶因具有量子限域效應和邊緣效應，而使得石墨烯條帶能夠實現對帶隙的調節，有望被用于制作高電子遷移率和高轉換速度的晶體管器件等。

目前，國內外制備石墨烯條帶的典型方法包括：電子束刻蝕法、化學法以及外延生長法等，但是這些方法存在諸如：無法精確控制石墨烯條帶裁剪尺寸、無法避免所制備的石墨烯條帶中的缺陷和雜質等問題，特別是采用氣相生長法所制備的石墨烯的生長溫度較高，其典型生長溫度甚至高于1000?℃，給石墨烯的生產制備和應用推廣帶來難度。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種石墨烯條帶的低溫化學氣相沉積（CVD）制備方法，目的是在低于1000℃的條件下，直接制備出邊緣光滑、具有規則長方形的單層石墨烯條帶。

實現本發明目的的技術方案按照以下步驟進行：

（1）電解拋光銅箔：以待拋光的銅箔作為陽極，銅板作陰極，將兩個電極同時插入到電解拋光液中，控制電流恒定為1.0?~?1.5?A，通電70?~?120秒，對銅箔進行電解拋光，然后清洗拋光后的銅箔，用氮氣吹干備用；

（2）銅箔退火：將吹干的銅箔放入石英管反應器內，并置于水平加熱爐恒溫區，石英管反應器的一端與氫氣瓶和液體碳源容器相連，另一端與真空泵相連，將石英管反應器內抽真空至10^-2?Torr，通入流速為4.0?~?10.0?sccm的氫氣，同時采用水平加熱爐以5?~?50??℃/min的速度升溫加熱，?加熱至500?~?950?℃時，保溫?30?~?60?min退火；

（3）石墨烯條帶低溫生長：退火后控制爐溫為500?~?580?℃，同時調節氫氣的流速為2.4?~?3.0?sccm，通入液體碳源，液體碳源在石英管反應器內的負壓作用下以氣態形式進入到反應器內，在銅箔上生長石墨烯條帶，控制石英管反應器內壓力在2.0?~?10.0?Torr之間，控制生長時間為10?~?50?min；

（4）生長結束后，在真空條件下，爐冷至室溫，得到生長在銅箔上的石墨烯條帶。

所述的電解拋光液的配方是：去離子水1000?ml，磷酸500?ml，無水乙醇500?ml，異丙醇100?ml，尿素9?g。

所述的液體碳源為具有芳香族、脂肪族化合物特征及介于芳香族和脂肪族化合物特征之間的含碳有機溶劑。

氫氣既作為還原氣體，又作為載氣和稀釋氣體。

與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是：

（1）本發明方法的石墨烯條帶的生長溫度低于現有技術中的CVD法生長石墨烯的溫度；

（2）本發明方法制備得到的石墨烯條帶本身大多具有較平滑的邊緣和規則的長方形，無需進行形狀剪裁；

（3）本發明方法制備得到的墨烯條帶是單層石墨烯條帶；

（4）本發明方法中作為石墨烯生長的催化劑襯底材料為經過電解拋光的銅箔，使得銅箔表面平滑且具有較高的表面化學活性；所采用的碳源為具有芳香族和脂肪族化合物特征以及介于芳香族和脂肪族化合物特征之間的含碳有機溶劑，與現有CVD技術中普遍采用的氣體碳源甲烷等相比，該類液體有利于石墨烯條帶的低溫生長。

附圖說明

圖1為本發明低溫制備石墨烯條帶的裝置示意圖；

圖中，1：水平加熱爐；2：石英管反應器；3：電解拋光的銅箔；4：液體碳源；5：碳源控制真空閥；6：真空計；7：球閥；8：真空泵；9：氫氣瓶。

圖2是本發明實施例1制備的石墨烯條帶的SEM照片和Raman光譜圖；

其中(a)為低溫生長在電解拋光銅箔上的石墨烯條帶的SEM照片；

?(b)單層石墨烯條帶的典型激光Raman光譜圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳述本發明。

本發明低溫化學氣相沉積制備石墨烯條帶的裝置示意圖如圖1所示，包括水平加熱爐1、石英管反應器2、電解拋光的銅箔3、液體碳源4、真空閥5、真空計6、球閥7、真空泵8和氫氣瓶，其中石英管反應器2作為石墨烯條帶的反應生長腔體，放置在水平加熱爐1內，將電解拋光的銅箔3放置在石英管反應器2內，并推進到水平加熱爐1的恒溫反應區內，石英管反應器2的一端與真空泵8通過球閥7連接，另一端與液體碳源4和氫氣瓶9相連。