[发明专利]化学反应合成石墨烯薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯薄膜的合成方法，尤其涉及通过化学反应合成石墨烯薄膜的方法。

背景技术

石墨烯是由蜂窝状的单层碳原子组成的二维结构材料，又被称为单层石墨；在物理特性上，通常认为十层以上石墨烯堆积的材料就是三维结构的石墨，碳纳米管是由石墨烯滚成桶状的一维纳米材料。石墨烯具有卓越的二维电学、光学、热学、力学性能以及化学稳定性，其独特的二维结构和优异的晶体学质量使得其在超快速微纳光电子器件、射频器件、洁净能源和各类传感器等领域具有重要的实用价值。比如，电子在石墨烯里遵循相对论量子力学，没有静质量，以1/300光速的超高速度运行，表现出奇异的室温量子霍尔效应及弹道输运现象，可制备室温弹道输运晶体管，被视为未来信息纳米器件的重要基础新材料；石墨烯电子传输速度是硅的150倍，有望制备出速度达到兆赫的超快速计算机与射频器件；石墨烯的单分子度的敏感性有望在各种传感器，如气体传感器和生物传感器等领域得到广泛应用；石墨烯具有2.3％光吸收的光学特性，使其可以用于制备超快速光探测器和锁模激光器。另一方面，由于极低的光吸收特性，使得石墨烯既可用于制备光电子器件，如发光二极管和太阳能电池等的透明电极，从而取代成本昂贵、资源稀少、不可折叠的以铟为主要成分的ITO透明导电膜，也可用于制备超级电容器和锂离子电池；基于石墨烯的有机光伏打电池的能量转换效率可望达到24％。

石墨烯薄膜的制备方法包括机械剥离法[K.S.Novoselov，et al.Science 306，666(2004)]、溶液剥离法[X.L.Li，et al.Science 319，1229(2008)]、石墨的氧化-还原反应[D.A.Dikin，et al.Nature 448，457(2007)；Z.S.Wu，et al.Carbon 47，493(2009)]合成还原的氧化石墨烯的方法、碳化硅热分解法[C.Berger，et al.Science312，1191(2006)；A.Tzalenchuk，et al.Nature Nanotechnol 5，186(2010)]、化学气相沉积法(化学气相沉积法(CVD))[C.A.Di，et al.Adv.Mater.20，3289(2008)；A.Reina，et al.Nano Lett.9，30(2009)；K.S.Kim，et al.Nature 457，706(2009)]、碳偏析法(segregation)等。尽管机械剥离法能够产生完美晶格的石墨烯薄膜，但仅适应于基础研究，不适合大规模应用。碳化硅热分解法是一种固态碳源生长石墨烯薄膜的方法，其基本步骤包括在超高真空下，以1400℃左右的高温处理碳化硅，使硅原子蒸发掉而让碳原子在碳化硅表面形成石墨烯薄膜，此方法对制备条件要求很高、很苛刻。化学气相沉积法(CVD)法可以大面积合成石墨烯薄膜，且在一定程度上可以较好地控制石墨烯薄膜的层数，适应于大规模应用，但合成温度一般在1000℃左右。

常规的化学气相沉积法(CVD)法是碳源材料通过热分解在一定的衬底上合成石墨烯薄膜，没有其它物质参与化学反应。石墨的氧化-还原法是以石墨为碳源材料与其它物质先后经历石墨的氧化反应，氧化石墨烯的还原反应而得到还原的氧化石墨烯；尽管此法合成的石墨烯薄膜的电子传输性能较差，但可以大规模合成石墨烯薄膜；另外，石墨的氧化-还原法所用的含碳材料材料仅仅是石墨，没有其它选择。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种通过化学反应在任何目标衬底上大规模合成石墨烯薄膜的方法。为此，本发明采用以下技术方案：以含碳元素的碳源材料和另一化学反应物质发生化学反应而产生活性碳原子或含碳活性基团；所述的活性碳原子或含碳活性基团沉积在衬底上形成石墨烯薄膜。

所述的碳源材料为含有碳元素的固态碳源、液态碳源、气态碳源材料或前述碳源中任意两种或两种以上混合碳源材料，包括固态碳源、液态碳源、或气态碳源材料，包括烷烃如甲烷等，烯烃如乙烯等，炔烃如乙炔等，芳香烃如苯等，醇如乙醇等，酮如丙酮等，聚合物、无定型碳、富勒烯、碳管等含碳的材料，但不局限于以上材料。

所述的另一化学反应物质是指与含碳元素的碳源材料发生化学反应的物质，包括所述的含碳元素的材料或不含碳元素的材料。