[發明專利]一種絕緣襯底圖形化直接生長石墨烯的工藝方法

有效

• 申請號: 201710246595.2
• 申請日: 2017-04-16
• 公開（公告）號: CN107012443B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 孫捷;徐晨;董毅博;解意洋;荀孟;潘冠中;王秋華
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/02;C23C16/56
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

一種絕緣襯底圖形化直接生長石墨烯的工藝方法，屬于石墨烯材料制備領域。絕緣襯底直接生長石墨烯和在此基礎上進行的石墨烯圖形化生長。通過在絕緣襯底上首先鍍上一層銅作為催化劑，然后在銅的催化下石墨烯會生長在鍍銅的表面，再保持高溫退火使銅揮發，銅揮發后，石墨烯會落在絕緣襯底表面，達到絕緣襯底直接生長石墨烯的目的。之后，在直接生長的基礎上，通過光刻工藝使鍍的銅具有一定的圖形，與之相對應的，在銅上生長出的石墨烯也具有了相同的圖形，達到絕緣襯底圖形化直接生長石墨烯的目的。本發明通過直接生長的工藝，避免了石墨烯轉移工藝中石墨烯的損壞，成本較低，適合大規模批量生產石墨烯。

技術領域

本發明涉及一種新型石墨烯制備工藝，屬于石墨烯材料制備領域。

背景技術

石墨烯作為一種新材料，因此具有許多獨特的性質，如：高載流子遷移率、高楊氏模量、高透光率等，受到科學家們的青睞。目前，其主要的制備方法分為以下幾類：機械剝離法、化學氣相沉積法(CVD)、氧化還原法、碳化硅外延法。其中，機械剝離雖然制備出的石墨烯質量較高，但是工藝繁瑣，效率低下，石墨烯層數不可控，不適合批量生產；氧化還原法雖然產量高，但是石墨烯質量較差，制備出的石墨烯層數較多；碳化硅外延雖然制備出的石墨烯質量高，但是成本昂貴。化學相沉積法能夠制備出高質量的單層石墨烯，同時，也適合大規模批量生產，成本也較低，因而被認為是未來石墨烯制備產業的主要發展方向。目前，市場上所銷售的單層石墨烯薄膜也幾乎為CVD法制備。CVD法制備石墨烯需要有金屬作為催化劑催化含碳氣源分解成碳原子，然后碳原子重新排布形成石墨烯，目前常用銅或鎳作為催化劑，一般采用甲烷作為碳源，在銅箔或鎳箔表面生長上石墨烯，如圖1所示，從上到下依次為：石墨烯1、銅箔2。其中，銅催化生長石墨烯，因其自限制效應的機理，生長出的石墨烯單層率高，質量好，是目前石墨烯薄膜生長主要使用的金屬。但是目前銅箔催化制備石墨烯薄膜的應用仍存在以下一些問題：

1)銅箔制備的石墨烯在應用制備器件的過程中都需要經過轉移，即將生長在銅箔上的石墨烯轉移到其他襯底上。因而，在轉移過程中不可避免的會對石墨烯造成損傷。石墨烯轉移之后會出現破損，褶皺等情況，難以大面積使用。

2)轉移的過程繁瑣，效率低下，費時費力，不適合未來石墨烯的大規模生產應用。

3)石墨烯對于不同襯底的粘附性不同，對于同石墨烯粘附性不強的襯底，石墨烯轉移到其上之后極易脫落。

4)在轉移完成之后，后續的石墨烯器件工藝一般都需要經過光刻，而石墨烯是一種極為敏感的材料，吸附空氣中的水蒸氣都可以使石墨烯的費米能級發生改變。光刻膠是一種結構復雜的有機物，光刻膠在石墨烯上的殘留對石墨烯的電學性能影響極大。

目前，針對以上問題，尚無行之有效的解決方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種絕緣襯底圖形化直接生長石墨烯的工藝方法，能夠同時解決石墨烯轉移破損、與襯底粘附性差、光刻過程中光刻膠對石墨烯摻雜等問題。同時，本發明工藝簡單，適合大規模生產石墨烯。

為實現上述目的，本發明轉換思想，通過直接生長工藝將石墨烯直接生長在目標襯底上，這樣就無需對石墨烯進行轉移，同時，直接生長在襯底上的石墨烯與襯底的粘附性會非常好。石墨烯絕緣襯底直接生長機理是：1)首先，在絕緣襯底上通過濺射或電子束蒸發鍍上一層金屬銅作為催化劑，如圖2所示，從上到下依次為：銅薄膜2和絕緣襯底3；2)然后，通過CVD生長，在金屬銅上生長一層石墨烯，如圖3所示，從上到下依次為：石墨烯1、銅薄膜2和絕緣襯底3；3)最后，通過高溫退火使銅蒸發掉，石墨烯1就會落在絕緣襯底上，達到直接生長的目的，如圖4所示，從上到下依次為：石墨烯1和絕緣襯底3。

本發明中石墨烯的圖形化直接生長是在直接生長基礎之上通過光刻改變鍍銅的圖形，使生長出的石墨烯也具有同樣的圖形。這樣就無需對石墨烯進行光刻，從而避免了光刻過程中光刻膠對石墨烯的摻雜。

具體工藝步驟如下：