制造石墨烯的方法、所述石墨烯及制造所述石墨烯的設備的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨稀，更特別地，涉及使用張力制造石墨稀的方法、所述石墨稀以及制造所述石墨稀的設備。
【背景技術(shù)】
[0002]包含碳原子的物質(zhì)包括例如富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨。其中，石墨烯是碳原子的二維平面陣列結(jié)構(gòu)的單原子層。
[0003]特別地，石墨烯具有相當穩(wěn)定并優(yōu)異的電、機械和化學性質(zhì)以及優(yōu)異的電導率，由此比有機硅更快速地傳送電子并能夠施加比銅更高的電流，因為通過實驗所表明的而已經(jīng)對其進行了積極的研宄，所述實驗基于2004年從石墨中分離石墨烯的方法的發(fā)現(xiàn)。
[0004]作為電子電路的基礎材料，石墨烯引起了極大關(guān)注，因為其可以批量生產(chǎn)并具有電、機械和化學穩(wěn)定性以及優(yōu)異的電導率。
[0005]另外，在預定厚度條件下，石墨烯的電性質(zhì)會隨石墨烯的晶向變化?；谠撛?，在使用者選擇的方向上獲得電性質(zhì)并由此能夠容易地設計裝置。因此，石墨烯可以有效用于碳基電子或電磁裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問題
[0007]本發(fā)明的目的旨在解決在制造石墨烯的方法、石墨烯和制造所述石墨烯的設備中存在的問題，所述設備能夠確保制造高質(zhì)量的均勻石墨烯。
[0008]技術(shù)方案
[0009]在本發(fā)明的一個方面中，通過提供制造石墨烯的方法能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目的。用于制造石墨烯的方法包括將催化劑金屬層裝入室內(nèi)；對所述催化劑金屬層施加張力；以及在對所述催化劑金屬層施加張力的狀態(tài)下通過將碳源供應入所述室內(nèi)而在所述催化劑金屬層上形成石墨烯。
[0010]在本發(fā)明的另一個方面中，此處提供一種用于制造石墨烯的設備，所述設備包括:具有氣體入口和氣體出口的室，所述室被設置用于使得催化劑金屬層裝入其中；張力單元，所述張力單元被設置用于對裝載在室內(nèi)的催化劑金屬層施加張力。
[0011]有益效果
[0012]根據(jù)本發(fā)明，通過對催化劑金屬層施加張力可以增加催化劑金屬層的粒度并且通過使用所述催化劑金屬層可實現(xiàn)高質(zhì)量均勻石墨烯的生長。
[0013]另外，通過對催化劑金屬層施加張力可以將催化劑金屬層的取向改變?yōu)?111)取向并且通過使用所述催化劑金屬層可以實現(xiàn)高質(zhì)量均勻石墨烯的生長。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)效果不限于上述效果且本領域技術(shù)人員根據(jù)如下說明將清晰地理解本文中未描述的其它技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0015]圖1是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明實施方案的用于制造石墨烯的方法的流程圖。
[0016]圖2顯示在根據(jù)比較例和制造例合成石墨烯后的催化劑金屬層的測量粒度的圖。
[0017]圖3顯示在根據(jù)比較例和制造例合成石墨烯后的催化劑金屬層的測量取向的圖像。
[0018]圖4是顯示用于制造石墨烯的設備的一個實例的示意圖。
[0019]圖5是顯示用于制造石墨烯的設備的另一個實例的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下文中，將參考附圖對本發(fā)明的實施方案進行詳細說明。
[0021]本發(fā)明允許各種變體和變化且參考附圖對其具體實施方案進行了例示并將詳細進行說明。本發(fā)明不應解釋為限于本文中所列實施方案并且包括符合附屬權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的主旨或范圍的變體、變化、等價物和替代物。
[0022]應理解，當指元件如層、面積或基板在另一個元件“上”時，其能夠直接在所述元件上，或其間還可以存在一個以上的插入元件。
[0023]另外，應理解，盡管諸如“第一”和“第二”的術(shù)語在本文中用于描述元件、部件、面積、層和/或區(qū)域，但元件、部件、面積、層和/或區(qū)域不應由這些術(shù)語來限制。
[0024]實施例
[0025]圖1是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明實施方案的用于制造石墨烯的方法的流程圖。
[0026]參考圖1，用于制造石墨烯的方法包括:將催化劑金屬層裝入室內(nèi)(SI);對催化劑金屬層施加張力(S2);以及在催化劑金屬層上形成石墨烯(S3)。
[0027]將催化劑金屬層裝入室內(nèi)的步驟(SI)例如可以使用各種沉積裝置的室。例如，所述室可以為CVD裝置的水平化學氣相沉積(CVD)室或垂直CVD室。例如，可以將催化劑金屬層裝入水平CVD室內(nèi)。
[0028]催化劑金屬層可以由能夠形成石墨稀的金屬如選自如下金屬中的任意一種金屬形成:鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鉑(Pt)、金(Au)、鋁(Al)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鉬(Mo)、銠(Rh)、硅(Si)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鈾⑶、釩(V)和鋯(Zr)，并可以由任意一種這些組分的單層或至少兩種這些組分的合金形成。
[0029]催化劑金屬層可以為由催化劑金屬單獨形成的單金屬層，或可以與另一種構(gòu)件結(jié)合。例如，可以將催化劑金屬設置在包括二氧化硅(S12)的硅基板的一個表面上。
[0030]同時，催化劑金屬層可以采用晶片或箔的形式。例如，催化劑金屬層可以為銅(Cu)箔。
[0031]催化劑金屬層的厚度可以為10 μπι?50 μπι。當催化劑金屬層的厚度在10 μπι以下時，不可能充分地增加施加到催化劑金屬層的張力的大小。
[0032]另外，當催化劑金屬層的厚度超過50 μπι時，在保持與碳源的恒定接觸面積的同時僅增加催化劑金屬層的厚度可以造成經(jīng)濟效率下降。
[0033]在對催化劑金屬層施加張力的步驟(S2)中，通過使用能夠?qū)Υ呋瘎┙饘賹邮┘訌埩Φ脑梢詫埩κ┘拥酱呋瘎┙饘賹印?br>[0034]例如，在將催化劑金屬層垂直裝入室內(nèi)的情況中，可以將張力垂直或水平地施加到催化劑金屬層。
[0035]更具體地，催化劑金屬層可以裝入垂直CVD室內(nèi)，裝載的催化劑金屬層可以以批量的方式懸浮，并可將能夠施加張力的元件連接到催化劑金屬層的底部，由此可以將張力垂直地施加到催化劑金屬層。
[0036]另外，在將催化劑金屬層水平裝入室內(nèi)的情況中，可以將張力施加到催化劑金屬層的兩側(cè)。
[0037]同時，在以所謂的輥到輥的方式裝載催化劑金屬層以使得由輥連續(xù)進料的情況中，可以在室的入口側(cè)和/或出口側(cè)將張力施加到催化劑金屬層。
[0038]后面將對如上所述能夠通過對催化劑金屬層施加張力而形成石墨烯的設備進行詳細說明。
[0039]張力的大小可以為0.lkg/m?5kg/m。當張力的大小在0.lkg/m以下時，不可能將催化劑金屬層的粒度增加至期望水平。當張力的大小在5kg/m以上時，催化劑金屬層難以確保張力，由此造成諸如撕裂的損傷。
[0040]通過按上述施加張力，可以增加催化劑金屬層的粒度。例如，對其施加如上所述張力的催化劑金屬層的平均粒度可以為100 μπι?500 μπι。通過按上述增加催化劑金屬層的粒度，可以增加確保將分離的碳原子均勻擴散入顆粒的面積，這導致形成高質(zhì)量石墨烯。
[0041]另外，施加的張力會造成催化劑金屬層的取向變化。例如，當將張力施加到具有
(001)取向的銅箔時，銅箔的取向可以變?yōu)?111)取向。
[0042]考慮到在隨晶體結(jié)構(gòu)變化的表面能方面的這種取向變化，(111)取向比(001)取向具有更優(yōu)異的充電速率和穩(wěn)定性。另外，(111)取向類似于石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。因此，在
(111)取向的催化劑金屬層上合成石墨烯時，可以獲得比在(001)取向上合成時更均勻且更少缺陷的石墨稀。
[0043]以此方式，如上所述通過施加張力將催化劑金屬層的取向變?yōu)?111)取向，可以形成尚品質(zhì)的石墨稀。
[0044]同時，將張力施加到催化劑金屬層的步驟(S2)可以還包括對催化劑金屬層實施熱處理。熱處理溫度可以為300°C以上。
[0045]在對催化劑金屬層施加張力的狀態(tài)下添加熱處理步驟，可以有助于催化劑金屬層取向的變化并使得催化劑金屬層具有單一取向。如果催化劑金屬層具有單一取向，則可以合成尚品質(zhì)均勾石墨稀。
[0046]在催化劑金屬層上形成石墨烯的步驟(S3)中，將碳源供應到室內(nèi)以在催化劑金屬層上形成石墨烯。
[0047]在此情況下，可以使用各種沉積方法在催化劑金屬層上形成石墨烯。例如，使用催化劑金屬通過化學氣相沉積可以在室內(nèi)合成石墨烯。
[0048]化學氣相沉積的實例包括熱化學氣相沉積(T-CVD)、電感耦合等離子體化學氣相沉積(ICP-CVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PE-CVD)和微波化學氣相沉積(微波CVD)。
[0049]另外，可以使用各種其它方法如快速熱退火(RTA)、原子層沉積(ALD)和物理氣相沉積(PVD)法。
[0050]碳源的實例包括氣體型源如甲烷(CH4)和乙炔(C2H2)、固體型源如粉末和聚合物或液體型源如鼓泡醇(bubbling alcohol)。
[0051]另外，可以使用各種其它碳源如乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、環(huán)戊二烯、己烷、環(huán)己烷、苯和甲苯。
[0052]下面將通過實例對其中催化劑金屬層由銅(Cu)形成且碳源為甲烷(CH4)的情況進行說明。
[0053]在保持催化劑金屬層合適溫度的同時，將甲烷氣體引入在由銅形成的催化劑金屬層上的氫氣氣氛中。當將室內(nèi)溫度升至給定值時，甲烷氣體分解為碳原子和氫原子。分解的碳原子被吸收或沉積在催化劑金屬層的表面上。
[0054]隨后，分解的碳原子擴散入催化劑金屬層的顆粒中。此時，室內(nèi)溫度可以為約300 °C ?1500。。。
[0055]其后，隨著在其表面上吸收有或沉積有碳原子的催化劑金屬層冷卻，形成石墨烯。隨著催化劑金屬層冷卻，被催化劑金屬層的表面吸收的碳原子在催化劑金屬層的表面上被合成。
[0056]催化劑金屬層的冷卻可以在相對短的時間內(nèi)實施。另外，催化劑金屬層的冷卻可以在室內(nèi)實施，或可以在將催化劑金屬層從室排出之后在室的外部實施。
[0057]用于催化劑金屬層的銅具有低碳溶解度并在形成單層石墨烯方面是有利的。
[0058]同時，盡管未示出，但在形成石墨烯的步驟之后，所述方法可以還包括將催化劑金屬層除去。通過腐蝕可以將催化劑金屬層除去。例如，可以根據(jù)需要使用？6(:13腐蝕劑將由鎳形成的催化劑金屬層除去。
[0059]另外，可以在將載體構(gòu)件堆疊在石墨烯上之后將催化劑金屬層除去。例如，可以使