[发明专利]一种石墨烯膜及石墨烯复合碳膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯膜及石墨烯复合碳膜的制备方法，更具体的说，是一种静电喷雾和热处理在硅基板表面制备石墨烯膜及无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜的制备方法。属半导体薄膜制备工艺技术领域。

背景技术

石墨烯是一种只有单层原子厚度，具有蜂窝结构的二维碳原子晶体的碳质材料。石墨烯具有优异的电学性能(室温电子迁移率可达200000 cm² V^-1 S^-1)，热力学性能(导热率达5000 Wm^-1K^-1)、机械性能(杨氏模量为1100 GPa，断裂强度为125 GPa)，以及特殊的量子霍尔效应和量子遂穿效应等物理性质，使其有望成为制备下一代微电子器件的新材料，在催化、锂电池、探测器等方面具有良好的应用前景。静电喷雾和基板加热法制备以硅衬底为基板的薄膜所要求的设备较为简单，可以大面积生长，便于加工。因此用石墨烯膜及无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜制成的微电子器件将有着非常广阔的潜在应用价值。

目前石墨烯膜的制备主要有CVD法和外延法。这两种方法所使用设备昂贵及原料成本较高。静电喷雾法是溶胶-凝胶技术和静电喷雾相结合应用于制备膜的一种典型方法。我们初步的研究发现，通过静电喷雾和基板加热法制备的膜和基板附着性较好及具有多孔的特性，有望获得较高的比表面积和较好的电学性能。相对于其他方法，静电喷雾和基板加热法具有制膜温度低、均匀性较好、设备价格低等优点。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种静电喷雾结合基板加热工艺制备石墨烯及石墨烯复合碳膜的制备方法，后者是石墨烯复合碳膜即是由无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜。

本发明主要以石墨粉、1-甲基-2-吡咯烷酮和聚丙烯腈为原料，采用静电喷雾结合基板加热工艺制备石墨烯及石墨烯复合半导体碳膜。

本发明为一种石墨烯及石墨烯复合半导体膜的制备方法，其特征在于以下的制备过程和步骤：

（一） 前驱体溶液的配制

（a） 将一定量石墨粉分散于1-甲基-2-吡咯烷酮中，配制成浓度为0.03 g/ml溶液以备用；

（b） 取上述溶液100 ml，在室温经低功率超声清洗器超声78 h得到石墨烯分散液；

（c） 将上述分散液经过12 h静置沉淀后，再经过离心得到稳定分散的石墨烯分散液，标记为前驱体液A，保存备用；

（d） 另外，按照所需掺杂浓度加入适量的聚丙烯腈到上述的石墨烯分散液中，搅拌约5 h后得到的溶液标记为前躯体溶液B；

（二） 硅片的清洗

先用乙酸乙脂将带有氧化层的硅片漂洗30 min，之后在丙酮中浸泡30 min，然后先后用乙醇、水超声清洗10 min后取出来，在红外灯下烘烤10 min左右。可获得干净的可供使用的带有氧化层的硅片；

（三） 膜的成型

（a） 石墨烯膜：将上述前驱体溶液A用注射器吸取5 ml放在微注射泵上，调节液体流速使前驱液均匀喷雾沉积在硅片衬底上；硅片衬底放在热板上加热，温度控制在200 °C左右，经过约30 h的电喷雾沉积形成膜；根据所需薄膜厚度，可以控制上述操作的电喷雾时间；将电喷膜置于马弗炉中在200 °C温度下热处理并保温6 h；然后在空气中自然冷却，最终获得发达多孔且与硅基板附着性良好、无序石墨烯堆积在硅基板上的石墨烯膜；

（b） 石墨烯复合碳膜：将上述前驱体溶液B用注射器吸取5 ml放在微注射泵上，调节液体流速使前驱液均匀喷雾沉积在硅片衬底上；硅片衬底放在热板上加热，温度控制在200 °C左右，经过约30 h的电喷雾沉积形成膜；根据所需薄膜厚度，可以控制上述操作的电喷雾时间；将电喷膜置于真空炉中在1000 °C温度下碳化处理并保温2 h；最终获得发达多孔的膜且与硅基板附着性良好的无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜。

本发明所述石墨烯及石墨烯复合半导体碳膜具有以下特点：

(1) 使用本方法成功地制备出了较均匀、连续的多孔石墨烯膜及石墨烯复合碳膜。石墨烯膜是无序的石墨烯堆积在基板上具有疏松多孔的特性，而无定形碳包裹石墨烯的石墨烯复合碳膜具有较致密和优异的电学特性。