[发明专利]一种直接在SiO2衬底上制备单层石墨烯片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维纳米材料单层石墨烯的制备方法，特别是涉及一种直接在SiO₂衬底上制备二维纳米材料单层石墨烯片的方法。

背景技术

单层石墨烯(graphene)是碳原子之间sp²杂化成键，排列成二维蜂窝状晶格的单原子层平面晶体。常见的材料——石墨，就是由一层层的石墨烯片层堆砌而成。一直以来，理论上都认为单层石墨烯热力学上不稳定，是无法在自然界中稳定存在的。

2004年，英国曼彻斯特大学的科学家首次在实验室制备出单层石墨烯，例如文件1：Novoselov，K.S.et al.Science 306，666(2004)；Novoselov，K.S.et al.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 102，10451(2005)所介绍。紧接着的短短几年，各项研究成果层出不穷，石墨烯迅速成为纳米科技与新材料领域的“新星”。单层石墨烯中的电子在狄拉克点附件遵循线性色散关系，行为类似无质量的狄拉克费米子，使得量子电动力学的一些理论首次能通过实验进行研究。早期研究发现，石墨烯的载流子能在电子和空穴之间连续调节，并且其迁移率在一般外界环境和高载流子浓度情况下，仍高达15,000cm²V^-1s^-1(例如文件2：Novoselov，K.S.et al.Nature 438，197-200(2005))。对比其他二维晶体材料，石墨烯优异的电学性能，在各领域的广泛应用潜能，引起了科学家的极大兴趣。

要进行石墨烯的研究，实现石墨烯的应用，急需解决可控、大规模、低成本的制备方法。现有技术中仅限于实验室制备，主要方法包括：1.化学方法引入插层试剂，增加石墨烯层间距，从而分离石墨烯层(Dresselhaus，M.S.&Dresselhaus，G.Adv.Phys.51，1-186(2002))。该方法较复杂，成本高。2.处理SiC衬底，升华Si从而留下石墨烯层(Berger C.et al.J.Phys.Chem.B 108，19912(2004))，该方法复杂，成本高。3.过渡金属作衬底外延生长石墨烯层(N’Diaye，A.T.et al.Phys.Rev.Lett.97，215501(2006))该方法获得的片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯层的性质。4.微机械剥离法(Novoselov，K.S.et al.Science 306，666(2004))，该方法由于引入胶带，后续净化过程繁琐，加大了制备成本。5.摩擦法(Novoselov，K.S.et al.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 102，10451(2005))，该方法目前应用最广；得到的样品面积小，厚层碎屑多，寻找有效样品难度大。6.膨胀石墨，化学方法溶解分散，沉积得到石墨烯窄带(Li，X.，X.Wang et al.Science 319 1229-1232(2008))，该方法复杂，成本高，且得到的石墨烯片层化学杂质多。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有制备单层石墨烯片方法中的缺点和不足；从而提供一种在有利于电学性质测量的镀有二氧化硅层的硅衬底上，通过直接的机械加压方式，制备出样品平整的单层石墨烯片的方法。该方法制备工艺简单、成本低和得到的样品面积大。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供的直接在镀有二氧化硅的硅片上制备单层石墨烯片的方法，包括以下步骤：

1).衬底净化处理：选择表面平整的镀有二氧化硅的硅片做衬底，其中，所镀二氧化硅层的厚度为30nm-300nm；并进行超声波清洗和氧等离子体轰击清洗以净化衬底；

2).处理石墨原料：选择块状高定向热解石墨或天然鳞片石墨为原料，将所述的石墨原料切出平整表面，再进一步解理使其出现干净新鲜解理面，之后将得到的带解理面石墨块放到一块清洁平整的垫板上，摩擦震动该石墨块去掉碎屑残渣；

3).机械加压制备样品：将步骤1)处理好的镀有二氧化硅的硅片，和经步骤2)处理得到的新鲜解理面的石墨原料，一起安置在一个夹具中，然后将夹具放入加压装置中，并对夹具施加压力，调节压力在10kg-20kg大小，保持施压5-10分钟，之后释放压力，取走块状石墨原料和取出硅衬底，在镀有二氧化硅的硅片衬底上形成单层石墨烯片；

其中，所有的上述操作过程均在百级超净室中进行。