[發明專利]一種利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201310080808.0
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN104045075B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 李鐵;梁晨;王躍林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明屬于材料技術領域，特別是涉及一種利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是由碳原子排列成二維正六邊形蜂窩狀點陣所形成的平面單原子層薄膜材料。由于石墨烯具有突出的導熱性能與力學性能、高電子遷移率、半整數量子霍爾效應等一系列性質，自2004年首次被發現以來，石墨烯引起了科學界的廣泛關注并掀起了一股研究的熱潮。

石墨烯是由sp²雜化碳原子鍵合，且具有六方點陣蜂窩狀二維結構的單層平面石墨，具有極高的晶體品質和電學性能。作為一種嚴格的二維晶體材料，石墨烯具有獨特的物理性能，載流子濃度高達10¹³cm^-2，遷移率超過20000cm²V^-1s^-1，為晶體管、傳感器等高性能器件的制備提供了材料基礎。

石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部電子受到的干擾也非常小。石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，人們發現，石墨烯具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統的半導體和導體，例如硅和銅，其遠沒有石墨烯表現得好。由于電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優良特性。

作為一種零帶隙半導體，石墨烯應用于微電子器件的一個重要前提是其帶隙與載流子濃度可調，而化學摻雜是實現這種調控的有效手段。理論計算表明，硫摻雜的石墨烯在氮氧化合物氣體的檢測方面有重要的應用前景。目前，石墨烯摻雜的方法大多集中在N摻雜上，包括利用化學氣相沉積方法，高溫下甲烷和氨氣作為碳氮源制備N摻雜石墨烯；對三聚氰胺與氧化石墨烯進行高溫退火實現氧化石墨烯的還原和石墨烯的N摻雜等。對石墨烯進行硫摻雜的報道較少，僅有蘭州大學高輝等人報道了將單質硫粉溶于己烷作為液態碳硫源，利用化學氣相沉積在金屬襯底上生長出S摻雜石墨烯。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法，以提供一種工藝簡單，經濟成本低，可以大規模生產的制備硫摻雜石墨烯的方法。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法，至少包括以下步驟：

1）提供一金屬襯底，將該金屬襯底置于化學氣相沉積反應腔中；

2）采用惰性氣體對所述反應腔進行通氣及排氣處理；

3）于第一溫度下對所述反應腔通入氫氣，以對所述金屬襯底表面的氧化物進行還原；

4）于第二溫度下將碳源氣體與硫源氣體通入所述反應爐進行反應，于所述金屬襯底表面形成硫摻雜石墨烯；

5）于氫氣及惰性氣體氣氛中對所述反應腔進行降溫。

作為本發明的利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法的一種優選方案，所述金屬襯底為銅箔或具有電鍍銅表面的基底。

作為本發明的利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法的一種優選方案，步驟2）中，惰性氣體的通氣及排氣處理時間為10～30min，氣流范圍為500～5000sccm。

作為本發明的利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法的一種優選方案，步驟3）所述第一溫度為200～600℃。

作為本發明的利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法的一種優選方案，步驟3）所述氫氣的氣流范圍為20～100sccm。

作為本發明的利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法的一種優選方案，步驟4）中，于900～1050℃的第二溫度下，采用惰性氣體、氫氣、甲烷及硫化氫為反應氣體形成硫摻雜石墨烯。

作為本發明的利用化學氣相沉積法制備硫摻雜石墨烯的方法的一種優選方案，所述惰性氣體氣流為500～1500sccm，氫氣氣流為20～60sccm，甲烷氣流為2～10sccm，硫化氫氣流為1～5sccm。