[發明專利]一種可控制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201410455622.3
• 申請日: 2014-09-09
• 公開（公告）號: CN104211054A
• 公開（公告）日: 2014-12-17
• 發明（設計）人: 于貴;羅庇榮;耿德超;徐潔;王華平
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;趙靜

技術領域

本發明屬于石墨烯制備領域，具體涉及一種可控制備石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯作為一種完美的二維晶體，具有極其優異的電學、磁學和力學性能，其特殊的結構，使其具有完美的量子隧道效應、半整數的量子霍爾效應、從不消失的電導率等一系列性質。2004年安德烈·蓋姆等人利用機械剝離法成功分離出了石墨烯(K.S.Novoselov,A.K.Geim,Science2004,306,666.)，該方法在制備高結晶質量的石墨烯用于實驗研究方面具有明顯的優勢，但是由于工作量大，產率低等缺點限制了其大規模的制備。于是各學科的研究人員發展多種合成石墨烯的方法，例如石墨的氧化還原法、化學剝離法、有機合成法及SiC外延法等(C.Berger,Z.Song,X.Li,Science2006,312,1191.；V.C.Tung,M.J.Allen,Nat.Nanotechnol.2009,4,25.；M.Choucair,P.Thordarson,Nature?Nanotech.2009,4,30.；J.Cai,P.Ruffieux,Nature2010,466,470.)。機械剝離法和外延生長法主要被用于實驗室內制備高質量的石墨烯樣品，然而產量很低。石墨的氧化還原法可以化學制備大量的石墨烯樣品，在一定程度上滿足工業應用要求，然而由于氧化劑的引入，破壞了石墨烯的共軛結構。盡管化學還原和高溫熱處理能夠在一定程度上恢復石墨烯的共軛結構，但是石墨烯的固有電學性能大大降低。

除此之外，化學氣相沉積法(CVD)是一種既可以獲得高質量又可以大面積制備石墨烯的方法。由于其制備的石墨烯質量高、可控操作性強、大規模等優點，化學氣相沉積法一直被認為是最具潛力的石墨烯制備方法。最近人們發現通過化學氣相沉積法可以對石墨烯進行控制生長，包括：形貌、尺寸、均一性、層數及堆疊方式等。此外，由于石墨烯的一些特殊性質極大的依賴于其尺寸、形貌、結晶度、層數和邊界結構等參數，因此，在制備和后處理過程中，可控上述參數對于得到性能可控和高遷移率的石墨烯至關重要。這極大地開拓了高質量石墨烯的應用前景。

目前在化學氣相沉積法制備石墨烯過程中，要有效地實現厚度均勻、層數可控的大面積高質量石墨烯的生長仍然是石墨烯CVD可控制備中的重大挑戰。探索一條簡單可靠的石墨烯層數控制生長方法仍然是眾多科研工作者所追求的目標。例如大部分報道通過直接控制CH₄/H₂的流量配比，以及控制CVD過程中的溫度等參數對直接在金屬Cu基底上進行層數可控的石墨烯合成(Zhengzong?Sun,Abdul-Rahman?O.Raji,ACS?Nano,2012,6,9790.)。這需要找到其不同層數生長的窗口，而這個生長窗口相當的窄，從而使得其缺乏一定的穩定性。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用變壓化學氣相沉積法可控制備石墨烯的方法。

本發明所提供的利用變壓化學氣相沉積法可控制備石墨烯的方法，包括下述步驟：

1)將金屬催化劑置于反應器中，在還原性氣體氣氛中于常壓下加熱使所述金屬催化劑升溫至1000～1050℃，并保溫；

2)維持所述金屬催化劑的溫度不變，將所述反應器密封并抽成真空狀態，接著關閉真空泵，維持反應器內的真空狀態；

3)向所述反應器中通入碳源氣體和還原性氣體進行變壓化學氣相沉積，從而在所述金屬催化劑上生長石墨烯，在石墨烯的生長過程中，所述反應器內的壓強逐漸增大，碳源的總量也逐漸增大；

4)當所述反應器內的壓強增加到常壓時，關閉碳源氣體，同時將密封的反應器與外界連通，維持所述還原性氣體的流速并通入惰性氣體進行冷卻，在所述金屬催化劑上得到所述石墨烯。

上述方法步驟1)中，所述金屬催化劑具體可為金屬。所述金屬具體可為銅、鎳、銠、鉑、鎵、鐵、釕或它們的合金。當所述金屬催化劑以片狀、塊狀、箔狀等形式存在時，可直接放入化學氣相沉積反應器中使用或放在襯底(石英舟或者石英片)上使用。

所述金屬催化劑具體可為銅箔；所述銅箔的厚度為10-100微米，具體可為25微米。

所述還原性氣體為：氫氣；所述還原性氣體的流速為100-300sccm，具體可為200sccm；所述還原性氣體的通入時間為5-30min，具體可為20min；所述保溫的時間為10-40min，具體可為30min。

上述方法步驟2)中，所述反應器內抽真空后的真空度為1-5Pa，具體可為3Pa。