[发明专利]多元衬底、基于多元衬底的层数连续可调的石墨烯、及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯材料的制备技术领域，涉及一种用于层数连续可调的石墨烯的新型多元衬底，以及基于该多元衬底的层数连续可调的石墨烯。本发明还涉及利用在低溶碳金属或合金上覆盖一层或多层高溶碳金属或合金薄膜的双元或多元衬底，通过动力学控制在不同的反应温度下制备层数连续调节的高质量石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯具有原子级的厚度、优异的电学性能、出色的化学稳定性和热力学稳定性，这些性能使得石墨烯在未来纳米电子学中具有重要的应用前景，并已成为目前凝聚态物理和材料科学研究的热点。

石墨烯采用化学气相沉积法(CVD)在过渡金属衬底如Ni、Cu、Ru等表面制备具有可大面积生长、便于转移等的显著优点，但是，CVD法生长的石墨烯薄膜的质量和生长机理都与过渡金属衬底对碳的溶解能力密切相关。

对碳有较强溶解能力的Ni衬底(原子％，在)易制备出由小的多层晶粒组成的覆盖良好的石墨烯薄膜，而铜的溶碳能力很低(＜0.001原子％，在1000℃)，在极度精确控制生长参数(如温度，气压，气体组成，流量等)的条件下可制备出均一的单层石墨烯薄膜，但实际生产中很难应用。在已有的制备中，单层的石墨烯仅在低的甲烷(CH₄)浓度(＜0.2％)和高的沉积温度(＞1000℃)条件下方能制备出，而高的CH₄浓度会导致薄膜的非均一性。为克服上述问题以达到电子器件应用的要求，需设计一种可大面积制备、均一性良好且层数可控的石墨烯薄膜的理想衬底。

然而，迄今为止，本领域尚未开发出一种用于可大面积制备、均一性良好且层数可控的石墨烯薄膜的理想衬底。

因此，本领域迫切需要开发出一种用于可大面积制备、均一性良好且层数可控的石墨烯薄膜的理想衬底。

发明内容

本发明提供了一种新颖的用于层数连续可调的石墨烯的新型多元衬底，基于该多元衬底的层数连续可调的石墨烯，及其制备方法，从而解决了现有技术中存在的问题。

一方面，本发明提供了一种用于层数连续可调的石墨烯的多元衬底，它包括：

金属基底，所述金属基底为低溶碳金属M1，或者低溶碳金属M1与高溶碳金属M2的合金M1_1-x+M2_x，式中0＜x＜0.5；

采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法覆盖在所述金属基底上的金属薄膜，所述金属薄膜为至少一层高溶碳金属M2，或者低溶碳金属M1与高溶碳金属M2的合金M1_1-x+M2_x，式中1＞x＞0.5；

其中，M1为Cu，M2选自Ru、Ti、Zr、Nb、Ta、Fe、Co、Ni、V、Rh、Pd、Co、lr、Pt、Mo、W、Zn或其组合。

在一个优选的实施方式中，所述多元衬底还包括位于所述金属基底下的非金属基底。

在另一个优选的实施方式中，所述非金属基底选自：硅、氧化硅、玻璃、石英、碳化硅和氧化铝。

在另一个优选的实施方式中，所述磁控溅射法的溅射功率为50-200W，溅射时间为5-60分钟，工作气压为0.2-3.0Pa，靶材与基底的距离为5-11cm；所述脉冲激光沉积法的基底温度为50-800℃，沉积时间为10-60分钟，靶材上的平均激光能量密度为2-10J/cm²。

在另一个优选的实施方式中，所述金属基底的厚度为1-1000μm；所述金属薄膜的厚度为5nm-1μm。

在另一个优选的实施方式中，所述非金属基底的厚度为0.5-2μm；所述金属薄膜的厚度为5nm-1μm。

在另一个优选的实施方式中，所述低溶碳金属或合金的溶碳能力为在500-1100℃下小于0.005原子％；所述高溶碳金属或合金的溶碳能力为在500-1100℃下大于0.1原子％。

另一方面，本发明提供了一种制备用于层数连续可调的石墨烯的多元衬底的方法，该方法包括：

提供金属基底，所述金属基底为低溶碳金属M1，或者低溶碳金属M1与高溶碳金属M2的合金M1_1-x+M2_x，式中0＜x＜0.5；

采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法在所述金属基底上覆盖金属薄膜，所述金属薄膜为至少一层高溶碳金属M2，或者低溶碳金属M1与高溶碳金属M2的合金M1_1-x+M2_x，式中1＞x＞0.5；