[發(fā)明專利]一種石墨烯包覆硅烯、制備方法及其使用方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810930600.6
• 申請日: 2018-08-15
• 公開（公告）號: CN108975318B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫旭輝;聶宇婷
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186;C01B32/194;C01B33/027;B82Y30/00
• 代理公司: 北京智匯東方知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11391
• 代理人: 康正德;薛峰

本發(fā)明提供了一種石墨烯包覆硅烯、制備方法及其使用方法。該制備方法包括如下步驟：將金屬催化基底放置在反應(yīng)腔體中，去除金屬催化基底上的自然氧化層，暴露出金屬層，選擇氣態(tài)烴類碳源作為前驅(qū)體，通過化學(xué)氣相沉積法在金屬層上形成石墨烯；關(guān)閉反應(yīng)腔體的氣態(tài)烴類碳源，通入含硅氣體源以及還原性氣體，使蒸發(fā)的硅原子在石墨烯表層上外延生長硅烯；僅關(guān)閉含硅氣體源，或者同時關(guān)閉含硅氣體源和還原性氣體，并通入氣態(tài)烴類碳源，以在硅烯表面包覆碳原子，從而獲得石墨烯包覆硅烯。本發(fā)明中獲取的硅烯可以在空氣中保持原有結(jié)構(gòu)兩年以上，并且該方法打破傳統(tǒng)方法，制備條件較為寬松且簡單。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及硅烯制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于金屬催化制備的石墨烯包覆硅烯、制備方法及其使用方法。

背景技術(shù)

硅烯是一種硅原子呈平面蜂窩狀排列的二維納米材料，具有良好的二維晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。與零帶隙的石墨烯相比，硅烯具有一定的禁帶寬度，因此在半導(dǎo)體電子器件和光電子器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。硅烯的sp²-sp³結(jié)構(gòu)特性表面極其敏感，導(dǎo)致其化學(xué)環(huán)境非常活潑，這使得制備硅烯具有較強(qiáng)的局限性。

目前制備硅烯的方法有硅源蒸發(fā)外延生長法。在高真空環(huán)境中，將硅片作為硅源，通過高溫加熱將硅原子沉積在不同的基底上，被選擇的基底有定向晶相的單晶，如Ag(001)，Ag(110)，Ag(111)，Ir(111)或ZrB₂(0001)。但是，當(dāng)蒸發(fā)的原子在基底上外延生長硅烯時，由于受到較強(qiáng)的界面相互作用，硅烯會出現(xiàn)重構(gòu)，原子層翹曲程度發(fā)生變化，有些原子會上升，有些原子會下降，導(dǎo)致晶胞變大，對稱性降低，或形成少層(few-layer)結(jié)構(gòu)，從而破壞硅烯的狄拉克-費(fèi)米特性，影響硅烯膜層材料的性能，此外，通過上述基底得到的硅烯不僅成本高，而且尺寸極其微小且不能暴露空氣中。還有一些研究人員采用氧化鋁覆蓋的方法來保護(hù)合成在銀表面的硅烯，然而這種方式制備獲得的硅烯非常不穩(wěn)定，不到一天時間就會被完全氧化。

因此，解決硅烯制備條件苛刻以及提高硅烯在空氣中的穩(wěn)定性是硅烯發(fā)展中亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個目的是要解決硅烯制備條件苛刻的技術(shù)問題。

本發(fā)明的另一個目的是要提高硅烯在空氣中的穩(wěn)定性。

特別地，本發(fā)明提供了一種基于金屬催化制備石墨烯包覆硅烯的方法，包括如下步驟：

將金屬催化基底放置在反應(yīng)腔體中，去除所述金屬催化基底表面上的自然氧化層，暴露出金屬層，選擇氣態(tài)烴類碳源作為前驅(qū)體，通過化學(xué)氣相沉積法在所述金屬層上形成石墨烯；

關(guān)閉所述反應(yīng)腔體的所述氣態(tài)烴類碳源，通入含硅氣體源以及還原性氣體，以使蒸發(fā)的硅原子在所述石墨烯表層上外延生長硅烯；

僅關(guān)閉所述含硅氣體源，或者同時關(guān)閉所述含硅氣體源和所述還原性氣體，并通入所述氣態(tài)烴類碳源，以在所述硅烯表面包覆碳原子，從而獲得金屬基底上的石墨烯包覆硅烯。

可選地，在獲得所述石墨烯包覆硅烯的整個過程中保持反應(yīng)溫度在400-1000℃。

可選地，在獲得所述石墨烯包覆硅烯的整個過程中保持反應(yīng)溫度在600-800℃。

可選地，在所述石墨烯表層上外延生長硅烯的步驟中反應(yīng)時間為5-50s，所通入的所述含硅氣體源的氣體流量為2-20sccm，所述還原性氣體的氣體流量為5-30sccm。其中，sccm為體積流量單位。

可選地，在所述硅烯表面包覆碳原子的步驟中反應(yīng)時間為5-50s，所通入的所述氣態(tài)烴類碳源的氣體流量為10-100sccm；

可選地，在所述硅烯表面包覆碳原子的步驟中，所通入的所述還原性氣體的氣體流量為5-30sccm。