[發(fā)明專利]一種在低溫襯底上制備石墨烯薄膜的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410851624.4
• 申請日: 2014-12-30
• 公開（公告）號: CN104495829A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈鴻烈;尤佳毅;唐群濤
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種石墨烯薄膜的制備方法，具體是一種采用熱絲CVD法在低溫襯底上制備石墨烯薄膜的方法。

背景技術(shù)

材料作為人類生存與社會穩(wěn)定發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，從古至今一直起著不可替代的重要作用。與此同時，材料的獲取和加工過程中對環(huán)境造成的影響也日益加劇。因此發(fā)展一些環(huán)境友好、儲量豐富的新材料來替代一些原材料匱乏或易對環(huán)境造成污染的舊材料是材料發(fā)展的大勢所趨。

石墨烯具有十分優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，自其被人類所發(fā)現(xiàn)以來便受到了廣泛的關(guān)注。這種由碳原子緊密堆垛而成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)具有高載流子遷移率、高比表面積、高透過率及高熱導(dǎo)率等有應(yīng)用前景的特性。目前，科學(xué)家們已成功將其應(yīng)用于太陽能電池、復(fù)合材料、光催化、傳感器等領(lǐng)域。

近年來化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯已發(fā)展為制備大面積高質(zhì)量石墨烯的主要方法。反應(yīng)過程中主要為含碳化合物被輸送至襯底表面后被襯底高溫分解后生長得到石墨烯。目前石墨烯的研究中常利用的生長機制主要有襯底催化機制以及襯底溶解析出機制2種。其中襯底溶解析出機制以Ni、Co等溶碳能力較強的金屬襯底為代表，依靠高溫條件使碳源分解并溶解于襯底中。經(jīng)過一段時間的擴散過程后，襯底以一定冷卻速率降溫。其溶碳量的變化使過飽和的碳在金屬襯底表面析出并形核生長成石墨烯薄膜。表面催化機制是以Cu、Mo等低溶碳量金屬作為襯底的生長機制。主要依靠碳源高溫分解并在襯底催化作用下脫氫形成含碳活性基團。當(dāng)含碳活性基團在襯底上累計到達一定濃度后便在襯底表面形核生長，形成石墨烯薄膜。其中銅襯底以價格較低廉，催化得到的石墨烯易于轉(zhuǎn)移等優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積方法生長石墨烯時，襯底溫度均高達1000℃左右。為了降低石墨烯的生長溫度，國內(nèi)外開展了許多研究，并成功利用固態(tài)碳源在中溫(500℃～700℃)下制得了高質(zhì)量的石墨烯。但由于甲烷、乙炔等氣態(tài)碳源在低溫下難以裂解成含碳活性基團，常用的化學(xué)氣相沉積方法無法在低溫襯底條件下使用氣態(tài)碳源制備石墨烯。熱絲化學(xué)氣相沉積法(熱絲CVD)具有燈絲溫度高，襯底溫度低的特點，能夠利用高溫?zé)艚z分解氣態(tài)碳源，同時避免襯底受到高溫的影響。并且熱絲CVD法還具有低成本、生長速度快等優(yōu)點。熱絲CVD法已被用于沉積類金剛石薄膜和碳納米管等碳材料。盡管國外已有一些使用熱絲CVD法生長石墨烯的研究報導(dǎo)，但他們使用的襯底溫度仍然很高(800～1000℃)，不適合石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)。例如D.Stojanovic等人[Synthesis?and?Characterization?of?Graphene?Films?by?Hot?Filament?Chemical?Vapor?Deposition，Physica?Scripta，2012，T149：014068-(1-3)]就是在襯底溫度為800～1000℃時用熱絲CVD法制備了石墨烯，而S.Kataria等人則是在襯底溫度為1000℃時用熱絲CVD法制備了石墨烯[Raman?Imaging?on?High-quality?Graphene?Grown?by?Hot-filament?Chemical?Vapor?Deposition，Journal?of?Raman?Spectroscopy，2012，43(12)：1864-1867]。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種用熱絲CVD法在低溫下以磁控濺射法在高純石英上沉積的金屬銅薄膜為襯底制備石墨烯的方法，制備的石墨烯薄膜為石墨烯納米晶。本發(fā)明能夠在低溫襯底條件下采用氣態(tài)乙炔或者固態(tài)聚苯乙烯作碳源，以廉價銅薄膜為襯底制得單層或者多層石墨烯薄膜，對石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)和推廣有指導(dǎo)作用。

本發(fā)明所涉及的熱絲CVD法在低溫襯底條件下以金屬銅薄膜為襯底制備石墨烯的方法是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，具體包括以下幾個步驟：

一種熱絲CVD法在低溫襯底上制備單層或者多層石墨烯薄膜的方法，其特征包括如下步驟：

(1).首先對襯底用丙酮、酒精和去離子水超聲清洗，再置于磁控濺射腔體中。待濺射腔室內(nèi)的真空度抽至本底真空度后，對銅靶預(yù)濺射以去除表面氧化和沾污。然后打開擋板沉積薄膜1-5μm厚度的銅薄膜；

(2).將步驟(1)得到的銅薄膜襯底放入管式爐中在氫氣和惰性氣體混合氣氛中進行退火；退火時惰性氣體流量為300sccm～500sccm，氫氣流量為50sccm～100sccm，退火溫度為900℃～1050℃，退火時間為30min～60min，獲得多晶銅薄膜襯底；