[發明專利]一種制備雙層石墨烯的化學氣相沉積方法

無效

• 申請號: 201310043092.7
• 申請日: 2013-02-04
• 公開（公告）號: CN103072978A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 林時勝;董策舟
• 申請（專利權）人: 杭州格藍豐納米科技有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及一種利用化學氣相沉積制備雙層石墨烯的方法，屬于二維薄膜納米材料制備技術領域。

背景技術

石墨烯是由碳碳共價鍵構成的蜂窩結構，簡單而完美。2004年，英國曼切斯特大學Andre?Geim教授領導的課題組使用機械剝離法制備了單原子層的二維石墨烯晶體并系統表征了它的輸運性能。Andre?Geim和Konstantin?Novoselove?兩人也因為在石墨烯領域的開創性研究而獲得2010年的諾貝爾物理學獎。石墨烯具有巨大的載流子遷移率，分數量子霍爾效應，Klein遂穿現象，與宇宙精細常數相關的吸收系數[6]等種種奇特的電學和光學性能。

一般來講，石墨烯指的是單層石墨烯，但是由于單層石墨烯的禁帶寬度為0，它在光電器件應用方面有著重要的缺陷，例如單層石墨烯基場效應晶體管只有很小的開關比。從這個方面考慮，在光電應用領域單層石墨烯并不一定是最好的。研究表明雙層石墨烯的能帶可以通過在石墨烯c軸方向的電場得到有效調控。這暗示著雙層石墨烯擁有應用于光電子應用和未來的微處理器巨大潛力。

對于大面積石墨烯的制備，目前化學氣相沉積（CVD）方法是一種主流方法。然而，CVD法制備的石墨烯大多為單層石墨烯。現代微電子工業技術需要具有較大開關比的場效應晶體管，因此大面積的雙層石墨烯制備是迫切需要研究的工藝。本發明使用金屬作為催化劑，使用CVD方法獲得大面積雙層石墨烯。大面積雙層石墨烯的獲得可極大的拓展石墨烯的應用范圍。

發明內容

本發明的目的是提供一種制備雙層石墨烯的化學氣相沉積方法。

制備雙層石墨烯的化學氣相沉積方法，包括以下步驟：

1）將金屬基底依次在去離子水、丙酮和乙醇中分別超聲清洗干凈，吹干；

2）將金屬基底放置在CVD裝置的恒溫加熱區，并抽真空至壓強在1mTorr以內；

3）將金屬基底在10~60分鐘內升至500-1000℃，并且通入0.5~1000sccm流量的還原性氣體，保持CVD裝置反應腔壓強為0.01-100?Torr，去除金屬基底的氧化層；

4）保持金屬基底溫度為500-1000℃，反應腔壓強為0.1-100Torr，并且通入0.5~1000sccm流量的還原性氣體和5~1000sccm流量的碳源氣體，生長10~600分鐘；

5）將金屬基底在10~400分鐘內降溫至400-600℃，并且通入0.5~500sccm流量的還原性氣體和5~600sccm流量的惰性氣體，保持CVD裝置反應腔壓強為0.1-100Torr，繼續生長10~60分鐘；

6）保持CVD裝置反應腔壓強為0.1-100Torr，并且通入10~500sccm流量的惰性氣體，將金屬基底在10~500分鐘降溫至室溫，得到雙層石墨烯。

本發明中，所述的金屬基底可以是銅箔、金箔、鋅箔、鎳箔或鋁箔，優選銅箔。

所述的還原性氣體為氫氣或一氧化碳，優選氫氣。所述的碳源氣體為甲烷、乙烷、乙烯或乙醇，優選甲烷。所述的惰性氣體為氬氣、氮氣、氦氣或氖氣，優選氬氣。

本發明步驟3）中優選還原性氣體的流量為10-50sccm。

本發明步驟4）中優選還原性氣體的流量為5~50sccm，碳源氣體的流量為60~100sccm。

本發明步驟5）中優選還原性氣體的流量為5~50sccm。

本發明步驟6）中優選惰性氣體的流量為50~250sccm。

本發明的有益效果：本發明利用化學氣相沉積法在一定溫度下利用還原性氣體和惰性氣體的氛圍，調節碳源氣體的流量和反應腔的壓強，在金屬基底表面制備出雙層石墨烯，避免了現有技術中的有毒有害的還原劑，對于環境十分友好，工藝簡單，便于操作，特別適合應用于雙層石墨烯的低成本、大規模可控生產。

附圖說明

圖1為化學氣相沉積制備雙層石墨烯的流程圖。

圖2為將制備的雙層石墨烯轉移至帶有300nm熱氧化層的硅基底上的拉曼光譜圖。

圖3為將制備的雙層石墨烯轉移至孔徑為3μm的銅質載網上的雙層石墨烯SEM圖。

圖4為雙層石墨烯的高分辨透射電鏡衍射花樣。

具體實施方式

實施例1：利用銅箔作為金屬基底，甲烷作為碳源氣體，氫氣作為還原性氣體，氬氣作為惰性載氣制備雙層石墨烯，其制備流程如圖1所示。

1）將厚度為25μm銅箔依次在去離子水、丙酮和乙醇中分別超聲清洗30分鐘，并用純氮氣吹干銅箔表面；