一種快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成其他維度碳質(zhì)材料的基本單元。石墨烯獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)賦予其一系列新奇的物理特性。石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶在費(fèi)米能級(jí)的六個(gè)頂點(diǎn)上相交，是一種零帶隙材料，且其能帶結(jié)構(gòu)在費(fèi)米能級(jí)附近呈線性關(guān)系，載流子的有效質(zhì)量表現(xiàn)為零，所以石墨烯具有超高的載流子迀移率(其載流子迀移率理論上最高可達(dá)到200 OOOci^V—h—1，比硅高100倍)，并且這種載流子傳輸性能受溫度影響極小。正是這種獨(dú)特的性能，使得石墨稀在基于娃基互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路的微電子技術(shù)將趨近于發(fā)展極限的今天，被公認(rèn)為的最有可能替代硅的材料之一。另外，單層石墨烯的透光性達(dá)到97.7%，加上其優(yōu)異的導(dǎo)電性，是一種非常理想的新一代透明導(dǎo)電薄膜的材料。
[0003]盡管石墨烯在很多領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用，但是目前為止仍然沒(méi)有合適的制備方法可以高效率地獲得高質(zhì)量的石墨烯，研究者們?cè)趯?shí)現(xiàn)石墨烯實(shí)際應(yīng)用的道路上依舊艱難前行?，F(xiàn)有石墨烯制備方法中，過(guò)渡金屬表面化學(xué)氣相沉積(CVD)方法由于其簡(jiǎn)單易行、操作容易、制備出的石墨烯質(zhì)量較高、尺寸較大等特點(diǎn)而備受矚目。然而，目前CVD方法制備出的大尺寸石墨烯薄膜是由小尺寸石墨烯疇融合而成，多數(shù)為多晶石墨烯，存在大量的晶界，這極大限制了石墨烯的迀移率和導(dǎo)電性能。為了降低石墨烯薄膜晶界密度，提高石墨烯的質(zhì)量，往往通過(guò)供給極低的碳源和大量的還原氣體，來(lái)降低石墨烯的成核密度，進(jìn)而得到大單晶石墨烯構(gòu)成的石墨烯薄膜。但這種方法由于碳源供給限制，石墨烯薄膜生長(zhǎng)速度極慢，長(zhǎng)時(shí)間的高溫生長(zhǎng)，帶來(lái)大量能耗和氣體消耗，使得成本極大增加。因此優(yōu)化現(xiàn)有CVD方法，尋找一種既可以降低形核密度、又可以增加生長(zhǎng)速率的有效手段，實(shí)現(xiàn)快速制備大晶疇石墨烯，對(duì)于石墨烯的實(shí)際應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種利用氧化物襯底夾層和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，同時(shí)在多個(gè)金屬箔片上連續(xù)生長(zhǎng)大晶疇石墨烯薄膜的方法。
[0005]—種快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的方法，將金屬箔片置于氧化物襯底的夾層中，并在金屬箔片表面生長(zhǎng)出高質(zhì)量大晶疇石墨烯薄膜。
[0006]優(yōu)選的是，所述金屬箔片不進(jìn)行任何表面處理，S卩，將從公開(kāi)商業(yè)途徑獲得的金屬箔片直接用于本方法中而不需要做任何表面預(yù)處理。
[0007]優(yōu)選的是，所述方法包括如下步驟:
[0008](—)、將所述金屬箔片置于氧化物襯底的夾層中，放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入惰性氣體，然后開(kāi)始升溫；
[0009](二)、溫度升至900?1100°C時(shí)，通入H2氣體，H2流量為2?50sccm，同時(shí)開(kāi)始通入CH4氣體，CH4流量為0.5?50sccm;
[0010](三)、生長(zhǎng)過(guò)程中控制轉(zhuǎn)動(dòng)裝置緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)兩端轉(zhuǎn)輪，使多個(gè)金屬箔片同時(shí)從氧化物襯底夾層中緩慢通過(guò)，轉(zhuǎn)速(線速度，同時(shí)也是金屬箔片的移動(dòng)速度)為0.2cm/min---50cm/mino
[0011 ](四)、生長(zhǎng)結(jié)束后，冷卻至室溫，即得到大晶疇石墨烯薄膜。
[0012]優(yōu)選的是，所述方法包括如下步驟:
[0013](—)、將未進(jìn)行任何表面處理的金屬箔片置于氧化物襯底的夾層中，放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入Ar，流量為300sccm以上，然后開(kāi)始升溫，升溫過(guò)程持續(xù)50?70min;
[0014](二)、溫度升至900?1100°C時(shí)，通入H2氣體，H2流量為0.2?50sccm，Ar流量保持不變，同時(shí)開(kāi)始通入CH4氣體，CH4流量為0.5?50sccm;
[0015](三)、同時(shí)控制轉(zhuǎn)動(dòng)裝置緩慢移動(dòng)兩端轉(zhuǎn)輪，使多個(gè)金屬箔片同時(shí)從氧化物板夾層中緩慢通過(guò)，進(jìn)行持續(xù)生長(zhǎng)過(guò)程，轉(zhuǎn)速為0.2cm/min---10cm/min；
[0016](四)、生長(zhǎng)結(jié)束后，關(guān)閉加熱電源，停止通入CH4氣體，以AdPH2為保護(hù)氣體，自然冷卻至室溫，在轉(zhuǎn)動(dòng)輪一端上的金屬箔片表面生長(zhǎng)出高質(zhì)量大晶疇的石墨烯薄膜，即完成快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜。
[0017]優(yōu)選的是，所述氧化物為石英、熔融石英、云母、Al2O3、CaO、ZrO、MgO或Cr2O3。
[0018]優(yōu)選的是，所述金屬為銅、鉑、金或銅鎳合金。
[0019]優(yōu)選的是，步驟一中升溫過(guò)程不通H2。
[0020]優(yōu)選的是，步驟一、二和三中升溫及生長(zhǎng)過(guò)程均在常壓條件下進(jìn)行。
[0021]優(yōu)選的是，步驟三中CH4流量為0.5?50sccm，并通入流量為0.2?50sccm的H2，CH4與H2流量比為0.01?100。
[0022]優(yōu)選的是步驟四中轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速為0.2cm/min---10cm/min。
[0023]優(yōu)選的是，步驟三中氧化物在高溫下釋放少量氧，氧鈍化金屬表面活性位點(diǎn)，減少形核密度，增大石墨烯晶疇尺寸到0.5_。
[0024]優(yōu)選的是，可連續(xù)生長(zhǎng)5mX 0.5m的石墨稀薄膜。
[0025]優(yōu)選的是，步驟一包括如下步驟:將未進(jìn)行任何表面處理的金屬箔片(從AlfaAesar購(gòu)買，厚度為25μηι或127μηι)置于氧化物板夾層中，放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入Ar，流量為300sccm(standard-state cubic centimeter per minute，標(biāo)準(zhǔn)態(tài)立方厘米/分鐘)以上，工作壓強(qiáng)為常壓(即一個(gè)大氣壓或約I XlO5Pa),然后開(kāi)始升溫，升溫過(guò)程持續(xù)50?70mino
[0026]—種大晶疇石墨烯薄膜，所述大晶疇石墨烯薄膜是由上述方法所制備，所述大晶疇石墨稀薄膜單疇尺寸可到0.5mm，可連續(xù)制備5m X 0.5m的石墨稀薄膜。
[0027]本發(fā)明用金屬箔片作為催化劑及生長(zhǎng)基底，用氧化物襯底與金屬箔片緊密接觸，然后利用常壓化學(xué)氣相沉積法，快速連續(xù)獲得大尺寸高質(zhì)量石墨烯薄膜。本發(fā)明提出的方法，解決了CVD方法制備的石墨烯薄膜中晶疇尺寸小，電學(xué)性質(zhì)大大降低等技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)非常簡(jiǎn)單的方法，實(shí)現(xiàn)了極其快速地連續(xù)制備出高質(zhì)量大晶疇的石墨烯薄膜。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0029]1.本發(fā)明選用金屬箔片作為生長(zhǎng)襯底，不需要對(duì)基底進(jìn)行復(fù)雜的表面預(yù)處理，大大簡(jiǎn)化生長(zhǎng)工序，縮短生長(zhǎng)周期，極大地降低制備成本；
[0030]2.本發(fā)明只需將金屬箔片放在常見(jiàn)氧化物襯底夾層中即可快速制備出大晶疇石墨烯薄膜，不需要其它任何特殊的處理；
[0031]3.本發(fā)明提出了一種可連續(xù)制備石墨烯薄膜的設(shè)計(jì)方法。
[0032]4.本發(fā)明提供了一種快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的方法，制備出的石墨烯薄膜，缺陷少，質(zhì)量高，在微納米電子器件領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景；
[0033]5.本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、有效，制備周期短，有助于石墨烯的實(shí)際應(yīng)用及工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的裝置示意圖。
[0035]圖2為實(shí)施方式一中試驗(yàn)一制備的大尺寸石墨烯晶疇樣品的光學(xué)圖。
[0036]圖3為實(shí)施方式一中試驗(yàn)一制備的大晶疇石墨烯薄膜的拉曼光譜圖，表明所制備樣品為尚質(zhì)量單晶石墨稀。
[0037]圖4為實(shí)施方式一中試驗(yàn)一制備的一個(gè)四英寸大晶疇石墨烯薄膜樣品的光學(xué)圖。
[0038]圖5為比較例用石墨板做襯底制備的石墨烯晶疇的光學(xué)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所述方法如無(wú)特別說(shuō)明均為常規(guī)方法。