[發明專利]一種等離子體增強化學氣相沉積生長石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201611140858.3
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106756870B
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 張振宇;郭梁超;杜岳峰;王博;郭東明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

本發明公開了一種等離子體增強化學氣相沉積生長石墨烯的方法，是一種利用等離子體增強化學氣相沉積設備以甲烷作為前驅體來制備少層石墨烯的工藝。采用多靶蒸發薄膜設備，使用高純度靶材(99.95％)，沉積條件如下：基片溫度為190?210℃；蒸發壓強為2×10?3Pa，濺射強度為9；將清洗干凈的石英片表面鍍上薄膜。將鍍有薄膜的石英片放入管式爐內，通入保護氣體H2和Ar，快速升溫至600～1000℃，退火處理后通入甲烷作為生長前驅體，氣體濃度為10～100sccm，進行生長，隨后快速冷卻至室溫。將反應完的樣品取出，放入刻蝕液中刻蝕，將石英片表面的薄膜刻蝕干凈，即可獲得大面積無需轉移的高質量石墨烯結構。本發明大大降低了石墨烯的制備成本，為推進石墨烯的工業應用奠定基礎。

技術領域

本發明涉及一種等離子體增強化學氣相沉積生長石墨烯的方法，主要是甲烷作為前驅體碳源，利用石英片表面鍍有一層金屬介質膜，在石英片表面與鎳金屬接觸的界面催化原位生長出石墨烯薄膜，制備出無需轉移的大面積少層(1～5個原子層)石墨烯結構的方法。

背景技術

碳有多種多樣的存在形式，如礦藏形式，自然界中循環，或者在恒星中形成，并且碳的獨特化學性質，使其能在自然界中以多種單質形式存在。隨著人類對于碳元素的不斷探索和認知，碳單質的各種同素異形體也不斷被發現。一直到2004年，英國著名科學家Geim和Novoselov成功的運用機械剝離法從高定向熱解石墨上剝離出穩定的石墨烯片，納米碳家族的二維材料得到填補。石墨烯也由于其自身獨特的結構和優良的物理化學性能引起了全世界的關注。自2004年石墨烯被發現以來，越來越多的科研工作者致力于石墨烯的制備及其性能的開發，使石墨烯在場效應晶體管、氣體傳感器、電池、超級電容器和生物傳感器等眾多領域顯示出巨大的潛能。然而，無論是在石墨烯的制備還是石墨烯的應用上都存在許多問題有待進一步研究，比如如何降低石墨烯的生長制備成本，如何對石墨烯的性能和結構進行調制等等。在眾多的制備石墨烯的方法中，化學氣相沉積(CVD)方法是制備大面積、高品質石墨烯的最有效方法之一，然而，這種方法需要極高的反應溫度和較多的碳源，從而限制其在工業領域的應用。

為了克服上述問題，本發明設計一種等離子體增強化學氣相沉積方法制備石墨烯，對石墨烯的生長過程起到了很大的促進作用，能提升碳原子沉積的效率，大大縮短生長時間。由于不需要很高溫度就可以使前驅氣氛中的碳氫鍵斷裂。等離子體增強化學氣相沉積方法一般只需要600-800℃的生長溫度，相反的，直接加熱式的化學沉積方法大約需要1000℃左右的生長環境。這樣在較大的程度上降低了石墨烯的生長制備成本，為推進石墨烯的工業應用奠定基礎。

發明內容

本發明的目的是采用一種等離子體增強化學氣相沉積生長石墨烯的方法,低溫條件下生長石墨烯結構，實現無需轉移的大面積石墨烯結構制備。

本發明的技術方案為公開了一種利用等離子體增強化學氣相沉積設備以甲烷作為前驅體來制備少層石墨烯的工藝。采用多靶蒸發薄膜設備，使用高純度靶材(99.95％)，沉積條件如下：基片溫度為190-210℃；蒸發壓強為2×10^-3Pa，濺射強度為9；將清洗干凈的石英片表面鍍上薄膜。將鍍有薄膜的石英片放入管式爐內，通入保護氣體H₂和Ar，快速升溫至600～1000℃，退火處理后通入甲烷作為生長前驅體，氣體濃度為10～100sccm，進行生長，隨后快速冷卻至室溫。將反應完的樣品取出，放入刻蝕液中刻蝕，將石英片表面的薄膜刻蝕干凈，即可獲得大面積無需轉移的高質量石墨烯結構。本發明的特點是：大大降低了石墨烯的制備成本，為推進石墨烯的工業應用奠定基礎。

1mm厚的石英片(2×2cm)放入清洗液(H₂SO₄:H₂O₂＝2:1，將H₂O₂由引流棒緩慢引入H₂SO₄)中，并加熱至60℃浸泡后取出，再用酒精、丙酮、去離子水超聲清洗并干燥，使用氣槍吹干。