[發明專利]一種低溫高效制備大尺寸石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201310146491.6
• 申請日: 2013-04-24
• 公開（公告）號: CN103183344A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發明（設計）人: 亓鈞雷;張麗霞;曹健;梁松;馮吉才
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 金永煥

技術領域

本發明涉及制備石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯(graphene)是碳原子緊密堆積成的單層二維蜂窩狀晶格結構的一種新型碳材料，它是構成其他維數碳材料(如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨)的基本單元。石墨烯獨特的二維納米晶體結構，使其具有電子傳輸速率高、導電性優異、熱導率高、機械性能出色，而且化學穩定性和透光性好等優點，有望在納米電子器件、透明導電薄膜、復合材料、催化材料、場發射材料、太陽能電池電極、光電轉換器等領域獲得廣泛應用。為此，石墨烯自2004年被發現后僅6年就獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

目前，石墨烯的制備方法有很多，如機械剝離法、化學剝離法、SiC外延生長法、化學氣相沉積(CVD)法等。其中，機械剝離法獲得的石墨烯雖然品質高，但是產量極低、效率低、隨機性大，僅能適用于實驗室研究使用?；瘜W剝離法由于存在強氧化過程，導致制備出的石墨烯缺陷極多，質量較差而且尺寸較小(微米量級)。SiC外延生長法效率低，可控性較差，成本較高且制備出的石墨烯難以轉移。對比來看，CVD方法具有簡單、容易操作、制備出的石墨烯質量高、尺寸大(厘米量級)且容易轉移到其他基底上等優點而備受矚目，常用于制備大尺寸石墨烯晶體管以及透明導電薄膜等。

然而，目前利用CVD方法制備石墨烯，其制備溫度較高在1000℃左右，且制備時間較長一般都在30分鐘左右，極大的限制了石墨烯材料在微電子器件的實際應用。為此，有必要在此方面進行深入研究，該方向的突破對石墨烯的實際應用以及工業化生產有重要意義。

發明內容

本發明的目的是為了解決傳統CVD方法制備石墨烯中存在的制備溫度高，制備時間長，且成本較高的問題，而提供一種低溫高效制備大尺寸石墨烯的方法。

一種低溫高效制備大尺寸石墨烯的方法是按照以下步驟進行的：

一、將金屬基底放入等離子體增強化學氣相沉積設備，抽真空至5Pa，通入H₂，H₂流量為20sccm，工作壓強為200Pa，然后升溫，40分鐘內到達工作溫度500～700℃，保溫退火處理30分鐘；

二、退火處理結束后，繼續通入Ar和CH₄氣體，調節H₂、Ar和CH₄的流量分別為40sccm、80sccm和1～8sccm，工作壓強為1000Pa，沉積系統射頻電源頻率為13.56MHz，射頻功率為200W，沉積時間為10～300秒；

三、沉積結束后，關閉射頻電源和加熱電源，停止通入CH₄氣體，以Ar和H₂為保護氣體，快速冷卻到室溫，冷卻的速率為10℃/s，在金屬基底表面均勻生長出石墨烯，即完成低溫高效制備大尺寸石墨烯；

其中步驟一中所用金屬基底為表面平整的鈷、鎳、銅或鉑的箔片或者薄膜，純度為99％～99.99％，厚度為100nm～125μm。

本發明的低溫高效制備大尺寸石墨烯的基本原理：利用等離子體增強化學氣相沉積方法，通過等離子體作用可低溫高效分解碳源氣體(如CH₄，C₂H₄等)形成大量具有高活性的碳基團，這些高活性碳基團經過金屬催化劑的催化反應短時間內即可在其表面生成石墨烯。由于引入等離子體作用，不僅避免了利用高溫來熱解碳源氣體，而且極大地提高了碳源氣體的分解效率，因此通入少量的碳源氣體也會產生大量的高活性碳基團，從而實現了石墨烯材料的低溫高效制備。本發明方法簡單、有效、真正意義上實現了低溫高效制備石墨烯材料，且制備出的石墨烯尺寸大，質量高，表面均一，在微納米電子器件、太陽能電池電極、光電轉換器、透明導電薄膜等領域具有良好的應用前景。

本發明具有以下優點：

1、本發明利用等離子體增強化學氣相沉積方法，以鈷、鎳、銅或鉑金屬箔片或者薄膜為生長基底，生長溫度為500～700℃，通入少量的CH₄氣體，開啟等離子體電源后，在極短時間內即可完成石墨烯的生長。

2、本發明引入了等離子體的增強作用，避免了利用高溫來熱解碳源氣體，且極大地提高了碳源氣體的分解效率，即使通入少量的碳源氣體也會產生大量的高活性碳基團，從而實現了石墨烯材料的低溫高效制備。

3、本發明的方法簡單，高效，低成本，便于工業化生產，制備出的石墨烯尺寸大，質量高，表面均一，在微納米電子器件、太陽能電池電極、光電轉換器、透明導電薄膜等領域具有良好的應用前景。

附圖說明