[發明專利]基于Ni膜退火和氯氣反應的大面積石墨烯制備方法

無效

• 申請號: 201310078983.6
• 申請日: 2013-03-12
• 公開（公告）號: CN103183338A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發明（設計）人: 郭輝;張豐;張玉明;韋超;雷天民
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及一種半導體材料及其制備方法，具體地說是基于Ni膜退火和氯氣反應的大面積石墨烯制備方法。

技術背景

石墨烯是碳原子緊密堆積成而為蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，是構筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等sp²雜化碳,即碳以雙鍵相連或連接其他原子的基本結構單元，具有一些特殊的物理特性，包括：獨特的載流子特性；電子在石墨烯中傳輸阻力很小，在亞微米距離移動時沒有散射，具有很好的電子傳輸性質；力學性能好、韌性好，每100nm距離上承受的最大壓力可達2.9N；石墨烯特有的能帶結構使空穴和電子相互分離，導致新電子傳導現象的產生，如量子干涉效應，不規則量子霍爾效應等。石墨烯的理論研究已有60多年的歷史，但直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，利用膠帶剝離高定向石墨的方法獲得真正能夠獨立存在的二維石墨烯晶體。并發現了石墨烯載流子的相對論粒子特性，才引發石墨烯研究熱。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，人們發現，將石墨烯帶人工業化生產的領域已為時不遠了。

石墨烯的應用

（1）代替硅用于電子產品

硅讓人們邁入了數字化時代，但研究人員仍然渴望找到一些新材料，讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中，石墨烯備加引人矚目。石墨烯的超高強度、透光性和超強導電性，使之成為了制造可彎曲顯示設備和超高速電子器件的理想材料。石墨烯如今已經出現在新型晶體管、存儲器和其他器件的原型樣品當中。石墨烯輸運電子的速度比硅快幾十倍，因而用石墨烯制成的晶體管工作得更快、更省電。

（2）用于光子傳感器

石墨烯還可用于光子傳感器，這種傳感器用于檢測光纖中攜帶的信息，現在，這個角色還在由硅擔當，但硅的時代似乎就要結束。2010年10月，IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器。英國劍橋大學及法國CNR的研究人員已經制造出了超快鎖模石墨烯激光器，這項研究成果顯示了石墨烯在光電器件上大有可為。

（3）用于納電子器件

石墨烯是納米電路的理想材料，其中，高傳導石墨烯是一種性能優異的半導體材料，是將來應用于納米電子器件最具希望的材料。巴斯夫和沃爾貝克公司開發了用于導電涂層的高傳導石墨烯，這將為石墨烯在電子工業中應用的商業化鋪平道路。

（4）用于太陽能電池

透明的石墨烯薄膜可制成優良的太陽能電池。美國魯特格大學開發出一種制造透明石墨烯薄膜的技術，所制造的石墨烯薄膜只有幾厘米寬、l～5nm厚，可用于有機太陽能電池；美國南加州大學的研究人員已將石墨烯用于制作有機太陽電池。石墨烯有機太陽能電池造價低，而且柔韌性好，因此研究人員看好其應用前景，例如這種石墨烯有機太陽能電池可做成家用窗簾，甚至可以做成會發電的衣服。

(5)其他應用

石墨烯在增強復合材料方面超越了碳納米管。美國倫斯勒理工學院的研究者發表的3項新研究成果表明，石墨烯可用于制造風力渦輪機和飛機機翼的增強復合材料。此外，石墨烯可用作吸附劑、催化劑載體、熱傳輸媒體，在生物技術方面也可得到應用。

石墨烯的制備方法

石墨烯的制備方法主要有機械法和化學法2種。

機械法包括微機械分離法、取向附生法和加熱碳化硅法．化學法包括化學還原法與化學解理法等。微機械分離法是直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來，可獲得高品質石墨烯，且成本低。但缺點是石墨烯薄片尺寸不易控制。無法可靠地制造出供實際應用的大面積石墨薄片樣本，不適合量產。取向附生法是利用生長基質原子結構“種”出石墨烯，石墨烯性能令人滿意，但往往厚度不均勻。加熱碳化硅法能可控地制備出單層或多層石墨烯，是一種非常新穎、對實現石墨烯的實際應用非常重要的制備方法，但制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。

化學還原法能夠低成本制備，但很難制備沒有晶界的高品質石墨烯薄片。化學解理法是利用氧化石墨通過熱還原方法制備石墨烯的方法，是一種重要的石墨烯制備方法。化學氣相沉積法提供了一種可控制備石墨烯的有效方法，其最大優點在于可制備出面積較大的石墨烯片．缺點是必須在高溫下完成，且在制作過程中，石墨烯膜有可能形成缺陷。而經過改進的微波等離子體化學氣相沉積法，其處理溫度較低，只有大約400℃，但是仍然不適于量產。

目前已有的方法，僅可以制備出面積小于2英寸的石墨烯材料，因此制備大面積、高質量、低缺陷的石墨烯已成為一項亟待解決的重要問題。

發明內容