[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料合成领域，特别是涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体。由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。单层石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并且其理论比表面积高达2630m²/g（A Peigney,Ch Laurent,et al.Carbon,2001,39,507），可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂(Novoselov KS,Geim A K,et al.Science2004,306,666)、化学氧化还原法[D A Dikin,et al.Nature2007,448,457;Sasha Stankovich,Dmitriy A Dikin,Richard D Piner,et al.Carbon2007,45,1558]、超声剥离法（Guohua Chen,Wengui Weng,Dajun Wu,et al.Carbon.2004,42,753）和化学气相沉积法（Alexander N,Obraztsov.Nature nanotechnology.2009,4,212）等。这些方法目前存在一些不足的地方，如制备工艺复杂、无法对石墨烯形貌进行有效控制等，特别是对垂直形貌难于进行有效控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种石墨烯的制备方法，该方法能够快速有效地制得产量高、一致性好、高度均匀、垂直于基板的石墨烯，制得的垂直阵列石墨烯可应用于场发射器件、微过滤膜等。

本发明提供的石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

（1）提供洁净基板，在基板上沉积或涂布催化剂，随后倒置在化学气相沉积设备内，附有催化剂的一面朝向化学气相沉积设备的底部，密封；

（2）向化学气相沉积设备内通入氢气，保持10～30min，开始加热；

（3）加热至600～1100℃，通入含碳气体，含碳气体从化学气相沉积设备的底部通往基板，保持10～300min后，停止加热，停止通入含碳气体，在氢气保护下冷却至室温，停止通入氢气，得到垂直于基板的石墨烯。

步骤（1）的目的在于提供洁净基板，在基板上进行催化剂的沉积或涂布，并将附有催化剂的基板倒置在化学气相沉积设备内，其中，附有催化剂的一面朝向化学气相沉积设备的底部。

基板的清洁操作为：分别用乙醇、丙酮及去离子水进行超声清洗。

优选地，基板为硅片、二氧化硅片或石英玻璃板。

优选地，催化剂为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁、硝酸钴、氯化钴、硫酸钴、硝酸镍、氯化镍和硫酸镍中的一种或多种。

优选地，催化剂的浓度为0.01～1mol/L。

更优选地，催化剂的浓度为0.1～0.2mol/L。

催化剂通过化学沉积或旋涂操作设置在基板上。催化剂本身不参与反应，但在高温下，催化剂颗粒会裂解并在氢气作用下还原成金属颗粒，这些金属对碳都有一定的固溶度，为石墨烯的形核与生长提供场所。

优选地，基板倒置在化学气相沉积设备内的顶部。

将基板倒置在化学气相沉积设备内的顶部，有利于后续通入含碳气体，在催化剂作用下，在基板上垂直生长石墨烯，最终得到在基板表面垂直生长的石墨烯。

步骤（2）向化学气相沉积设备内通入氢气的目的，初期是为了排走设备内的空气，后期在石墨烯生长的过程中，氢气可以冲淡含碳气体的浓度，以利于石墨烯的生长，此外，氢气也作为还原性气体起到还原催化剂的作用。

优选地，氢气的流量为50～200sccm。

步骤（3）为生长垂直石墨烯的过程。在600～1100℃的高温下，通入含碳气体，开始发生发应，反应10～300min后，停止加热，停止通入含碳气体，在氢气保护下冷却至室温，停止通入氢气，便得到在基板表面垂直生长的石墨烯。

优选地，含碳气体为甲烷、乙烷、乙炔、丙烷、一氧化碳和乙醇中的一种或多种。

优选地，含碳气体的流量为100～1000sccm。

在600～1100℃的高温下，催化剂颗粒会裂解并在氢气作用下还原成金属颗粒，当含碳气体进入后，在金属颗粒表面裂解，碳开始溶解到金属里，一定时间后达到饱和，此时石墨烯开始形核，慢慢生长成具有一定厚度与高度的石墨烯。