用于石墨烯生長的玻璃陶瓷基材的制作方法
【專利說明】用于石墨稀生長的玻璃陶瓷基材
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請根據(jù)35U.S.C.§120,要求2013年10月23日提交的美國申請系列號14/ 061342的優(yōu)先權(quán)，本文W該申請為基礎(chǔ)并將其全文通過引用納入本文。
[000；3]背景
[0004] 領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明總體上設(shè)及石墨締的形成方法，更具體而言，設(shè)及用于合成石墨締的玻璃 陶瓷基材。 技術(shù)背景
[0006] 石墨締是碳的二維同素異形體。石墨締的結(jié)構(gòu)包括排布于密堆積的蜂窩陣列中的 單一平板狀SP2雜化的碳原子板。石墨締中的碳-碳鍵的長度為大約0.142nm。一種石墨締單 層的示意圖如圖1所示。
[0007] 大體上來說，石墨締是石墨的孤立原子平面。作為一種二維晶體材料，石墨締具有 獨特的性質(zhì)，包括高本征遷移率（200000cm2V-is-i)、楊氏模量（大約1100G化）、斷裂強度 (42Nm-i)、破裂強度（大約125G化）、熱導(dǎo)率（大約5000Wm-iK-i)，表面積（2630mVi)和大約 97%的光學(xué)透射率。憑借運類卓越的性質(zhì)，石墨締在W下領(lǐng)域中具有廣泛的多種潛在應(yīng)用： 從納米機電諧振器和高性能場效應(yīng)晶體管至清潔能源裝置、傳感器和抗菌產(chǎn)品。
[000引石墨締最先是從高定向熱解石墨化0PG)上通過機械剝離來分離得到的?，F(xiàn)在已經(jīng) 廣為人知的是，每當(dāng)石墨發(fā)生磨損，例如用鉛筆繪畫時，就會生成微小的石墨片碎片。石墨 締還可利用W下方法通過碳偏析來得到:將例如碳化娃的碳源在低壓下(大約10-6托)加熱 至高溫（>ll00°C)W將其還原為石墨締。
[0009]缺乏廉價的生產(chǎn)高質(zhì)量石墨締的大規(guī)模合成途徑大大制約了其廣泛應(yīng)用。所W， 若能開發(fā)一種形成大面積石墨締的經(jīng)濟的方法，那將是有益的。
[001日]發(fā)明概述
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式，一種用于石墨締生長的基材包含玻璃陶瓷主體和多個設(shè) 置在該玻璃陶瓷主體表面上的納米相金屬島。運些金屬島能夠在CVD工藝中催化石墨締的 生長。一種石墨締的形成方法包括將玻璃陶瓷基材的表面暴露于碳前體。
[0012] 其產(chǎn)物可為涂覆有石墨締的基材，其包含玻璃陶瓷主體、多個設(shè)置在該玻璃陶瓷 主體的表面上的納米相金屬島和設(shè)置在運些金屬島上方的石墨締層。在一些實施方式中， 基材在石墨締形成前是絕緣的，但石墨締形成后，基材是導(dǎo)電的。
[0013] 在W下的詳細描述中提出了本
【發(fā)明內(nèi)容】
的附加特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu) 點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言根據(jù)所作描述即容易理解，或者通過實施包括W下詳細描述、 權(quán)利要求書W及附圖在內(nèi)的本文所述的本
【發(fā)明內(nèi)容】
而被認識。
[0014] 應(yīng)理解，前面的一般性描述和W下的詳細描述給出了本
【發(fā)明內(nèi)容】
的實施方式，用 來提供理解要求保護的本
【發(fā)明內(nèi)容】
的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對 本發(fā)明的主題的進一步理解，附圖并入本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖例示了本 發(fā)明的主題的各種實施方式，并與說明書一起對本發(fā)明的主題的原理和操作進行闡述。此 夕h附圖和說明書僅僅是示例性的，并不試圖W任意方式限制權(quán)利要求的范圍。
[0015] 附圖的簡要說明
[0016] 當(dāng)結(jié)合W下附圖閱讀時，能對本發(fā)明下文的【具體實施方式】的詳細描述有最好的理 解，附圖中相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標記表示，其中：
[0017] 圖1是顯示石墨締結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0018] 圖2是一些實施方式的石墨締形成方法的說明圖；
[0019] 圖3是一種玻璃陶瓷基材在W下各階段中的掠入射X射線衍射數(shù)據(jù)：（a)制備后的； (b)在空氣中加熱后的；W及(C)在空氣中加熱后又在氨氣中加熱后的；
[0020] 圖4a和4d是包含納米級儀島的LAS玻璃陶瓷基材的沈Μ顯微圖像，而圖4b和圖4c是 形成于圖4a的基材之上的石墨締的沈Μ顯微圖像；
[0021] 圖5a和化是石墨締生長后的玻璃陶瓷基材的反向散射沈Μ顯微圖像和相應(yīng)的能量 彌散X射線化DX)光譜。
[0022] 圖6a~6f顯示了形成于玻璃陶瓷基材上的石墨締的拉曼光譜和相應(yīng)的拉曼光譜 衍生分布圖；
[0023] 圖7是形成于玻璃陶瓷基材上的石墨締的(a)SEM顯微圖像和(b)拉曼光譜分布圖；
[0024] 圖8顯示了（a~b)局部形成于玻璃陶瓷基材上的石墨締的沈Μ顯微圖像、（C)相關(guān) 的拉曼光譜和(d)相應(yīng)的拉曼光譜分布圖；W及
[0025] 圖9顯示了形成于玻璃陶瓷基材上的石墨締的（a~b)SEM顯微圖像、（C化DX光譜、 (d)拉曼光譜和(e)相應(yīng)的拉曼光譜分布圖。
[0026] 發(fā)明詳述
[0027] 下面將對本發(fā)明的主題的各種實施方式進行更詳細的描述，其中的一些實施方式 例示于附圖中。在附圖中使用相同的附圖標記表示相同或相似的組件。
[0028] -種用于石墨締生長的基材包含玻璃陶瓷主體和多個設(shè)置在該主體的表面上的 納米相金屬島。在用于形成石墨締的化學(xué)氣相沉積工藝中，金屬島能夠催化石墨締的生長。 金屬島通過對相應(yīng)的金屬氧化物島進行熱還原來制造，所述金屬氧化物島是通過例如在玻 璃陶瓷結(jié)晶化過程中的熱誘導(dǎo)擴散來形成的。單層和雙層石墨締可通過控前體的催化分解 在基材上形成。
[0029] 本發(fā)明的石墨締合成使用絕緣(玻璃陶瓷)基材。合適的玻璃陶瓷包括裡侶娃酸鹽 (LAS)材料，例如裡輝石材料。示例性的LAS的組成總結(jié)于表1。
[0030] 表1.玻璃陶瓷基材的組成
[0031]
[0032] 玻璃陶瓷基材包含非玻璃形成的、非玻璃改性的金屬，例如儀或鉆，其W相應(yīng)的氧 化物的形式結(jié)合入玻璃陶瓷中，且在于玻璃陶瓷表面上形成例如氧化儀（即NiO)或氧化鉆 (即C〇3化)的金屬氧化物的島的熱處理過程中被分隔開來。在包含氧化儀的玻璃陶瓷的組成 中包含至少1摩爾％的化0(例如1、2、3、4或5摩爾％的化0)。在包含氧化鉆的玻璃陶瓷的組 成中包含至少0.33摩爾％的化0(例如0.33、0.66、1、1.33、1.66或2摩爾％的(：〇3〇4)。其它能 夠形成可結(jié)合入玻璃陶瓷的表面納米顆粒的金屬包括加、？*、411、1?(1、咖、打和。6。如果使用 運些金屬，則可將0.5、1、2、3、4或5摩爾％的相應(yīng)的金屬氧化物結(jié)合入玻璃陶瓷。在一些實 施方式中，兩種或更多種運類金屬可結(jié)合入玻璃陶瓷。
[0033] 將用于形成玻璃陶瓷基材的原材料烙化，然后將其澤冷W形成玻璃。加熱玻璃W 引發(fā)微晶的成核和生長并形成玻璃陶瓷。原材料可在1500°C或更高(例如1500、1550、1600、 1650或1700°C)的溫度下烙化W形成玻璃。將澤冷的玻璃在氧氣(例如空氣、氧氣或含氧氣 體)的存在下加熱至結(jié)晶溫度。合適的形成玻璃陶瓷的結(jié)晶溫度為800°C或更高(例如800、 900U000或iioor)。在一些實施方式中，結(jié)晶溫度可與石墨締生長溫度相等。在陶瓷化過 程中，例如儀或鉆的金屬在其氧化還原電位的影響下會遷移至玻璃陶瓷表面W在玻璃陶瓷 表面上形成金屬氧化物顆粒。
[0034] 離散的金屬島可通過在還原環(huán)境中對玻璃陶瓷進行熱處理而由金屬氧化物島來 形成。例如，儀金屬島是通過NiO的還原來形成的，而鉆金屬島是通過C〇3化的還原來形成的。 盡管金屬島是單獨導(dǎo)電的，但是玻璃陶瓷的表面是不導(dǎo)電的、進而玻璃陶瓷基材的表面是 不導(dǎo)電的，運是因為在一些實施方式中，運些金屬島并未互相連接。
[0035] 石墨締層可使用CVD石墨締生長工藝在玻璃陶瓷基材上形成。石墨締的CVD生長可 通過W下方式來進行:在真空或大氣壓下、在升高的溫度下將含有金屬島的玻璃陶瓷表面 暴露于例如C2出、CH4或其它控的碳前體，并聯(lián)用例如此的還原劑。石墨締形成溫度可至少為 800°C，例如至少為900°C。
[0036] 在CVD條件下，金屬(例如Ni或Co)島能夠催化石墨締的形成。高溫石墨締生長條件 可引發(fā)金屬納米顆粒在玻璃