[發(fā)明專利]通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610471854.7
• 申請(qǐng)日: 2016-06-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106756881A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱壬官;葉昭輝;邱博文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 炬力奈米科技有限公司
• 主分類號(hào): C23C16/44
• 分類號(hào): C23C16/44;C23C16/26;C23C16/52;C01B32/186
• 代理公司: 北京同立鈞成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11205
• 代理人: 陶敏,臧建明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種生長(zhǎng)石墨烯的方法，尤其涉及一種通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯包括由單層碳原子以sp²共價(jià)鍵結(jié)合成的緊密蜂巢狀晶格的二維結(jié)構(gòu)。石墨烯具有多種特別性質(zhì)，尤其是高的載流子遷移率、硬度、熱傳導(dǎo)率、電流承載能力以及極大的表面-體積比，而有許多關(guān)于石墨烯在醫(yī)療、電子及光電元件中的應(yīng)用的研究。

制備石墨烯的作法之一為使用化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)。石墨烯已能成功地通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)于各種過(guò)渡金屬的表面上。在此生長(zhǎng)制程中，含碳?xì)怏w在高溫下通過(guò)過(guò)渡金屬的催化而分解。取決于各種過(guò)渡金屬對(duì)于碳?xì)浞肿拥拇呋Чc其對(duì)應(yīng)的碳溶解度的不同，分解出的碳原子在過(guò)渡金屬的表面上將產(chǎn)生不同程度的沉積、溶解、以及析出。

對(duì)于銅箔(典型的用于生長(zhǎng)石墨烯的金屬基板)而言，當(dāng)覆蓋于金屬表面的碳原子形成連續(xù)的石墨烯膜，即會(huì)成為保護(hù)屏蔽，因此所述金屬表面失去催化分解隨后引入的碳?xì)浞肿拥哪芰Α＿@種自我限制的生長(zhǎng)機(jī)制將使生長(zhǎng)于銅表面上的石墨烯的單層覆蓋率受限，只能達(dá)到90％。

此外，為了電性隔離石墨烯膜，須通過(guò)濕式(酸)蝕刻的方式移除生長(zhǎng)石墨烯膜的金屬基板，且將所述石墨烯膜轉(zhuǎn)移至具有一層薄的高分子支架(polymer scaffold)的絕緣基板。然而，石墨烯膜除了時(shí)常在濕式蝕刻制程中受到強(qiáng)酸破壞結(jié)構(gòu)外，殘余的金屬粒子還無(wú)可避免地殘留在石墨烯的表面上而使電子散射，因此降低了石墨烯的電子遷移率，并且，前述薄高分子支架通常為由長(zhǎng)鏈狀的碳?xì)浞肿咏M成，使得其難以通過(guò)使用任何現(xiàn)有的有機(jī)溶劑以徹底地清除。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種新穎的通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的方法，其可將低缺陷的石墨烯膜直接生長(zhǎng)于基板的表面(特別是絕緣的表面)。

本發(fā)明的通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的方法包括：裝載至少一基板至爐管中；引入含有含氧碳源(oxygen-containing carbon source)的反應(yīng)氣體至爐管中；加熱反應(yīng)氣體，且使用紫外光(UV)源對(duì)反應(yīng)氣體照射紫外光，以分解含氧碳源；以及通過(guò)碳源的分解釋放出的碳原子來(lái)沉積石墨烯膜于所述至少一基板的表面上。

所述至少一基板可包括至少一絕緣基板(特別是至少一絕緣的表面)或至少一金屬基板。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的方法還包括使用電漿源以促進(jìn)含氧碳源的分解。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，上述的通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的方法還包括提供作為觸媒的金屬蒸汽至爐管中。提供金屬蒸汽的方法例如是將固體金屬置入爐管中，或者將有機(jī)金屬化合物提供至爐管中，其中固體金屬包含銅、鎳、鋅或其組合。

反應(yīng)氣體可還包括無(wú)碳的含氧化合物(例如H₂O)。反應(yīng)氣體可還包括氫氣以及作為稀釋氣體的惰性氣體。

由于碳源通過(guò)在高溫下照射紫外光而分解，不是通過(guò)金屬的表面分解，因此可達(dá)到將近100％的單層覆蓋率，且可避免對(duì)金屬基底的濕式(酸)蝕刻，也不必使用高分子支架來(lái)轉(zhuǎn)移石墨烯膜，而得以預(yù)防上述因濕式(酸)蝕刻及高分子支架而導(dǎo)致的缺點(diǎn)。通過(guò)經(jīng)延長(zhǎng)控制的生長(zhǎng)時(shí)間，多層石墨烯膜可生長(zhǎng)于基板的表面上(特別是絕緣基板的表面上)。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的方法的裝置圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的用于通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的 方法的裝置圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的用于通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯的方法的裝置圖；

圖4A為在本發(fā)明的實(shí)例1中于藍(lán)寶石基板上生長(zhǎng)的單層石墨烯的拉曼光譜(Raman spectrum)圖；

圖4B為在本發(fā)明的實(shí)例1中于藍(lán)寶石基板上生長(zhǎng)的單層石墨烯的X-射線光電子分光光譜(X-ray photoelectron spectroscopic spectrum)圖；

圖5為在本發(fā)明的實(shí)例1中于藍(lán)寶石基板上直接生長(zhǎng)的單層石墨烯的電子顯微剖面圖；

圖6A為在本發(fā)明的實(shí)例2中于氮化硅基板上直接生長(zhǎng)的多層石墨烯的電子顯微剖面圖；

圖6B為在本發(fā)明的實(shí)例3中于氧化硅基板上直接生長(zhǎng)的多層石墨烯的電子顯微剖面圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

10：基板；

100：爐管；