[發(fā)明專利]一種制備超平整無褶皺石墨烯單晶的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710523050.1
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107190315B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發(fā)明（設計）人: 彭海琳;鄧兵;劉忠范
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學
• 主分類號: C30B29/02
• 分類號: C30B29/02;C30B29/64;C30B25/18
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

本發(fā)明公開了一種制備超平整無褶皺石墨烯單晶的方法。該方法包括：將銅(111)單晶薄膜/藍寶石對疊，使藍寶石面在外，銅(111)單晶薄膜面在內(nèi)，先退火再進行常壓化學氣相沉積，沉積完畢即在所述銅(111)單晶薄膜表面得到所述石墨烯單晶薄膜。本發(fā)明采用超平整銅(111)單晶以及合適的化學反應窗口制備了超平整石墨烯單晶。超平整石墨烯單晶的平整度達到0.5nm，表面無褶皺，遠優(yōu)于普通銅箔上生長的石墨烯。超平石墨烯具有遠優(yōu)于粗糙石墨烯的性能，包括抗氧化性能和導電性能。

技術領域

本發(fā)明涉及一種制備超平整無褶皺石墨烯單晶的方法。

背景技術

石墨烯由于其良好的物理化學性質(zhì)，如超高的載流子遷移率、高的透光性、良好的機械性能等，受到了廣泛的研究并且在透明導電薄膜、光電探測、催化、生物檢測 等領域顯示了其潛在的實用價值。石墨烯諸多制備方法中，銅箔表面的化學氣相沉積 方法具有生長的石墨烯質(zhì)量高、適用于宏量制備等諸多的優(yōu)勢。然而，化學氣相沉積 方法制備的石墨烯有兩類典型的缺陷：晶界和褶皺。

由于石墨烯是二維層狀材料，化學氣相沉積制備過程中，石墨烯在生長基底上銅箔上多點成核，拼接成為多晶薄膜。石墨烯多晶薄膜內(nèi)部存在大量的晶界，晶界的存 在會嚴重地降低石墨烯的機械強度、電學遷移率、化學抗腐蝕能力等等性能。因此， 制備超大單晶石墨烯薄膜，解決石墨烯生長過程中的晶界問題極其重要。制備大面積 單晶石墨烯有兩種典型的方法：第一，石墨烯在生長襯底上單一成核，然后外延長大； 第二，石墨烯在外延襯底上取向一致成核，拼接成為一個單晶。相對而言，第一種方 法制備石墨烯的速率極慢，不利于工業(yè)規(guī)模制備；第二種方法通常采用銅(111)單晶 襯底，生長速度快，但是受限于銅(111)單晶襯底的尺寸。

此外，由于石墨烯具有負的熱膨脹系數(shù)，而銅箔具有正的熱膨脹系數(shù)，銅箔表面生長的石墨烯往往具有多種尺度的波紋(ripple)或者褶皺(wrinkle)。研究表明，褶 皺會降低石墨烯的遷移率，造成沿著褶皺方向和跨過褶皺方向各向異性的遷移率和導 電性；褶皺會降低石墨烯的機械強度，使得石墨烯在外界應力的作用下優(yōu)先在褶皺處 斷裂；褶皺會影響晶格聲子振動，降低石墨烯的熱導率；褶皺也是石墨烯應力集聚位 點，提高了化學反應的活性。總之，石墨烯褶皺的存在對石墨烯的電學、熱學、力學、 化學反應性能都存在很大的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種制備超平整無褶皺石墨烯單晶的方法。

本發(fā)明提供的制備石墨烯單晶薄膜的方法，包括如下步驟：

將銅(111)單晶薄膜/藍寶石對疊，使藍寶石面在外，銅(111)單晶薄膜面在內(nèi)， 先退火再進行常壓化學氣相沉積，沉積完畢即在所述銅(111)單晶薄膜表面得到所述 石墨烯單晶薄膜。

上述方法中，對疊放置的目的在于防止銅的揮發(fā)，對疊形成的限域空間非常有利于防止銅在高溫生長條件下的揮發(fā)；

所述退火步驟中，載氣為氬氣和氫氣；所述氫氣和氬氣的流量比為10：(400-1000)；

所述氫氣的流量具體為10sccm；

所述氬氣的流量具體為500sccm；

所述退火步驟中，退火時間為0.5-2h；

退火溫度為1000-1050℃；

由室溫升至退火溫度的時間為0.5-2h，具體可為1h；

所述退火在常壓化學氣相沉積爐中進行。

所述常壓化學氣相沉積步驟中，生長溫度為1000-1050℃；

沉積時間為0.5-5h，具體可為3h；

所述常壓化學氣相沉積步驟中，沉積氣氛為氬氣、氫氣和稀釋的碳源氣體組成的混合氣氛；