[發明專利]一種CVD石墨烯生長過程中的同步摻雜方法

在審

• 申請號: 202210086116.6
• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114540945A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 張翅騰飛;涂溶;羅國強;鄭穎秋;楊剛;張聯盟
• 申請（專利權）人: 化學與精細化工廣東省實驗室潮州分中心
• 主分類號: C30B25/00
• 分類號: C30B25/00;C30B29/02;C23C14/35;C23C14/16;C23C14/58
• 代理公司: 汕頭市南粵專利商標事務所(特殊普通合伙) 44301
• 代理人: 余飛峰

本發明公開了一種CVD石墨烯生長過程中的同步摻雜方法，通過在銅箔表面進行摻雜元素沉積，在銅箔表面形成摻雜元素薄膜，經過高溫退火后獲得質地均勻的銅合金箔作為基板；使用常壓化學氣相沉積方法，將基板放入常壓CVD生長爐中，隨后通入保護氣體，使常壓CVD生長爐的反應區處于保護氣氛中，對常壓CVD生長爐進行升溫，將反應區的溫度提升到反應溫度后，通入反應氣體，使反應氣體中C元素在基板上逐漸沉積生長，從而獲得摻雜石墨烯。本發明的一種CVD石墨烯生長過程中的同步摻雜方法以銅箔和摻雜元素形成的合金箔作為基底生長石墨烯，實現在單晶石墨烯生長過程中的同步摻雜，獲得晶格摻雜的單晶石墨烯，整體方法簡單，控制方便，重復性好。

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，具體地說，涉及一種CVD石墨烯生長過程中的同步摻雜方法。

背景技術

隨著現代工業的發展，工業生產中產生的環境廢氣(NH₃、NO₂或NO等)成為形成酸雨、光化學煙霧和霧霾等自然災害的主要因素，因此針對痕量(ppm) 甚至超痕量(ppb)有毒有害氣體進行有效檢測也愈發重要。電阻型氣體傳感器具有結構簡單、便攜性好和靈敏度高等優點，目前已經被廣泛應用于化工、制藥和食品等領域。然而，絕大部分電阻型氣體傳感器的工作溫度高(通常大于200 ℃)、耐久性差，大大限制了它的應用場景。石墨烯等二維材料具有極高的比表面積和載流子彈道輸運的特性，其電學性質受吸附氣體分子的影響較大，適合應用于高性能氣體傳感器。未經摻雜的多晶石墨烯主要依靠范德華力和缺陷吸附或結合氣體分子，選擇性極差，且過多的缺陷會劣化石墨烯的電導率，降低石墨烯基氣體傳感器的靈敏度。摻雜的單晶石墨烯氣體傳感器具有比表面積高、選擇性強、響應強度大和工作溫度低等優勢，探測極限可低至ppb級，是作為高性能室溫氣體敏感材料的理想選擇之一。

摻雜方法是決定最終摻雜效果的決定性因素之一，至今仍未開發出合適的單晶石墨烯摻雜方法。半導體工業中常用的摻雜方法有離子注入和高溫擴散，這兩種方法可以適用于大部分厚度半導體薄膜材料。然而，石墨烯屬于二維材料，其厚度僅為0.34nm。在高能離子或高溫的作用下，石墨烯的晶格極易受到破壞，使石墨烯的載流子遷移率或電導率下降2～3個數量級，極大地劣化了石墨烯的本征性能。

石墨烯的摻雜方法主要有固相法、液相法和化學氣相沉積法(CVD)。其中，液相法較難使摻雜原子進入石墨烯晶格，通常僅能在石墨烯表面形成修飾基團，極大地降低了石墨烯的電導率和載流子濃度；固相法通常使用等離子體或高溫擴散的方式使摻雜原子進入石墨烯晶格，但是同時也會引入大量缺陷，降低了摻雜石墨烯氣體傳感器的選擇性和響應強度；而CVD法則可以在單晶石墨烯生長的過程中，同步通入摻雜元素的碳氫化合物進行摻雜。然而，這些摻雜元素的碳氫化合物往往含有碳元素或鹵族元素(BCl₃，CH₄N₂O或Ti(acac)₂等)，這會干擾石墨烯的成核及引入大量缺陷，甚至無法生長出單晶摻雜石墨烯。因此，亟需開發出一種合適的方法，使得單晶石墨烯在維持本征晶格特性的情況下獲得摻雜元素。

發明內容

本發明的所要解決的技術問題在于提供一種CVD石墨烯生長過程中的同步摻雜方法。

本發明解決上述技術問題的技術方案為：

一種CVD石墨烯生長過程中的同步摻雜方法，包括如下步驟：

基板制備，在銅箔表面進行摻雜元素沉積，使微量元素沉積在銅箔表面，形成摻雜元素薄膜，經過高溫退火后獲得質地均勻的銅合金箔作為基板；

制備摻雜石墨烯，常壓化學氣相沉積方法，將基板放入常壓CVD生長爐中，隨后通入保護氣體，使常壓CVD生長爐的反應區處于保護氣氛中，對常壓CVD 生長爐進行升溫，將反應區的溫度提升到反應溫度后，通入反應氣體，使反應氣體中C元素在基板上逐漸沉積生長，從而獲得摻雜石墨烯。

具體的，所述基板制備步驟中，還包括如下步驟：