[发明专利]一种在金属催化剂表面制备薄层石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯材料的制备方法，尤其涉及一种在金属催化剂表面偏析生长制备层数可控、厚度均匀的晶圆尺寸级石墨烯的方法。 

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以SP²键形成的六方晶体结构的二维单原子层。由于其具有独特的结构和优异的物理性质，石墨烯得到了科学界的广泛关注。近年来有些研究者发展了用Cu或Ni做催化剂的化学气相沉积法（CVD）合成石墨烯技术，在大面积合成近乎完美的石墨烯上展现了很大的优势。由于不同层数的石墨烯具有不同的性质和相应的应用，因此实现大面积石墨烯薄膜的层数可控生长和工艺兼容性，是研究者所追求的目标。在低气压下铜箔上生长的均匀的石墨烯已经展示了它的大面积，大的晶域尺寸和优异的透明导电性能。然而，由于碳在Cu表面的自限制效应，石墨烯在铜箔上很难生长出少层的石墨烯。相比于Cu，尽管采用较薄的镍膜做催化剂，因为碳在Ni中的溶解度较高，在其上生长的石墨烯的厚度极不均匀，常常从单层到十多层很不均匀的随机分布。 

在Ni上用CVD法合成石墨烯的机制一般包括：碳氢化合物的催化裂解、Ni表面的沉积、在Ni内的溶解扩散和石墨烯的形成。石墨烯薄膜形成大概包括几个纠缠的动态过程：在高温下金属诱导结晶、在降温时界面上的偏析和在晶界处的沉淀析出。这些复杂的过程纠缠在一起，特别是在晶界处的沉淀和析出，导致石墨烯薄膜的极不均匀和层数的不可控。针对这些问题，已有一些研究组研究了在镍箔上的石墨烯偏析生长。此后又有研究组用含碳的金属薄膜做催化剂，通过真空退火单独偏析合成石墨烯，改善了石墨烯的均匀性和质量。 但是目前的这些偏析方法，都没有解决在金属催化剂表面生长大面积高质量石墨烯薄膜的层数可控性和均匀性。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种在金属催化剂表面制备薄层石墨烯的方法，其通过调节催化剂薄膜的成分和厚度、以及通过可控的渗碳、刻蚀和偏析过程实现大面积（1 cm²-12 inch）的层数可控、高度均匀的薄层（1-50 层）石墨烯薄膜的制备。 

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案： 

一种在金属催化剂表面制备薄层石墨烯的方法，该方法为：

首先，在H₂和Ar气混合气氛中，于700-1050 °C的高温下，将碳源与金属催化剂基体接触，进行高温催化分解反应，从而在金属催化剂基体内部和表面进行渗碳；

而后，在800-1200 °C的高温条件下，以H₂刻蚀或等离子体刻蚀至少除去金属催化剂基体表面的无序碳层和金属催化剂基体内晶界位置形成的石墨烯；

最后，在惰性气体保护或真空条件下，将金属催化剂基体迅速冷却至室温，并在金属催化剂基体表面得到偏析的薄层石墨烯。

作为优选方案之一，所述金属催化剂基体包括多晶或单晶金属薄膜或金属薄片，所述金属材料可选自Ni、Fe、Co、Cu、Pt和Ru中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。 

尤为优选的，所述金属催化剂基体的厚度在10 nm-10 mm。 

所述碳源选自气体碳源、固态碳源和液态碳源中的任意一种，其中， 

所述气体碳源至少选自CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、CO和CO₂中的任意一种；

所述液体碳源至少选自CH₃OH、C₂H₅OH、C₆H₆、CH₃COCH₃和n-C₆H₁₄中的任意一种；

所述固态碳源至少选自PMMA、PVP、PVA、PE、糖类、活性炭、无定形碳、乙炔黑和碳黑中的任意一种。

作为优选方案之一，所述碳源选用固态碳源，所述固态碳源被以粉体或由粉体形成的分散液的形式均匀分布在金属催化剂基体表面。 

进一步的，分布在金属催化剂基体表面的固态碳源的厚度为5 nm-100 mm。 

作为优选方案之一，所述等离子体刻蚀至少选自氢气、氩气、氨气和氧气的等离子体刻蚀中的任意一种，但不限于此。 

作为优选方案之一，所述H₂刻蚀或等离子体刻蚀的时间为5 s-50 min。