[發明專利]一種低成本制備大尺寸單晶石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201310147768.7
• 申請日: 2013-04-25
• 公開（公告）號: CN103194795A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 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: C30B29/02
• 分類號: C30B29/02;C30B25/00;C30B23/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 高會會

技術領域

本發明涉及制備單晶石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯(graphene)是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結構，是構成其他碳納米材料的基本單元。由于獨特的二維結構特征和極佳的晶體學質量，石墨烯的載流子表現出類似于光子的行為。此外，石墨烯還具有優異的力學、電學、熱學、光學等特性，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。

目前，石墨烯的制備方法有很多，最常用的方法有機械剝離法、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、尺寸小(微米量級)。化學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。SiC外延生長法效率低，可控性較差，成本較高且獲得的石墨烯難以轉移。對比來看，CVD方法具有簡單、容易操作、制備出的石墨烯質量較高、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。

然而，目前CVD方法制備出的大尺寸石墨烯多數為多晶石墨烯，存在大量的晶界極大限制了石墨烯的遷移率和導電性能，遷移率普遍偏低，通常介于100～1000cm²V^-1s^-1。因此，為了削弱晶界的影響，目前常采用單晶基底(如Al₂O₃(0001)，MgO(111)等)上沉積單晶金屬薄膜后制備單晶石墨烯的方法，提高石墨烯的質量以及電學性能。但是，目前所使用的單晶基底，如Al₂O₃(0001)，MgO(111)等存在著表面處理工序復雜、難以重復利用，價格昂貴等問題，限制了大尺寸單晶石墨烯材料的大規模制備以及在微電子器件中的實際應用。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

本發明是要解決CVD方法制備大尺寸單晶石墨烯材料中常用單晶基底表面處理工序復雜，難以重復利用以及價格昂貴的技術問題，從而提供了一種低成本制備大尺寸單晶石墨烯的方法。

本發明的一種低成本制備大尺寸單晶石墨烯的方法是按以下步驟進行：

一、采用電子束蒸鍍法，以金屬為蒸發源，在高真空環境為1×10^-3～1×10^-4Pa下，在單晶云母基底上蒸鍍單晶金屬薄膜；其中，蒸鍍速率為0.02～0.20nm/s，基底溫度為450～650℃，蒸鍍單晶金屬薄膜厚度為500～1000nm；

二、將步驟一獲得的單晶金屬薄膜放入化學氣相沉積設備中，抽真空至3Pa，通入H₂、Ar，H₂流量為50sccm，Ar流量為100sccm，工作壓強為1×10⁵Pa，然后升溫至熱處理溫度為850～1000℃，熱處理時間為30～120min；

三、熱處理結束后，升溫至1000℃，繼續通入CH₄氣體，CH₄流量為0.5～10sccm，調節H₂流量為10～50sccm，Ar流量為800～1000sccm，工作壓強為1×10⁵Pa，沉積時間為5～30min；

四、沉積結束后，關閉加熱電源，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，在單晶金屬基底表面均勻生長出高質量單晶石墨烯，即完成低成本制備大尺寸單晶石墨烯。

本發明包括以下有益效果：

1、本發明選用價格低廉的單晶云母(001)作為基底，在其表面蒸鍍單晶金屬薄膜，通過調控、優化工藝參數，進而單晶金屬薄膜上實現大尺寸單晶石墨烯材料的低成本制備。

2、本發明以單晶云母(001)作為基底，通過簡單的機械剝離方法處理，利用單晶云母片層間劈裂，即可獲得嶄新且平整的表面；不僅省去了復雜的表面處理工序，而且當完成石墨烯的制備及轉移后，該基底可再經機械剝離方法處理后重新使用。真正意義上實現了大尺寸單晶石墨烯材料的低成本制備。

3、本發明方法簡單、有效、有助于大尺寸單晶石墨烯材料的實際應用以及工業化生產，且制備出的石墨烯尺寸大，質量高，在微納米電子器件、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