[发明专利]一种利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别是涉及一种利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子排列成二维正六边形蜂窝状点阵所形成的平面单原子层薄膜材料。由于石墨烯具有突出的导热性能与力学性能、高电子迁移率、半整数量子霍尔效应等一系列性质，自2004年首次被发现以来，石墨烯引起了科学界的广泛关注并掀起了一股研究的热潮。

石墨烯是由sp²杂化碳原子键合，且具有六方点阵蜂窝状二维结构的单层平面石墨，具有极高的晶体品质和电学性能。作为一种严格的二维晶体材料，石墨烯具有独特的物理性能，载流子浓度高达10¹³cm^-2，迁移率超过20000cm²V^-1s^-1，为晶体管、传感器等高性能器件的制备提供了材料基础。

石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜，其远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。

作为一种零带隙半导体，石墨烯应用于微电子器件的一个重要前提是其带隙与载流子浓度可调，而化学掺杂是实现这种调控的有效手段。理论计算表明，硫掺杂的石墨烯在氮氧化合物气体的检测方面有重要的应用前景。目前，石墨烯掺杂的方法大多集中在N掺杂上，包括利用化学气相沉积方法，高温下甲烷和氨气作为碳氮源制备N掺杂石墨烯；对三聚氰胺与氧化石墨烯进行高温退火实现氧化石墨烯的还原和石墨烯的N掺杂等。对石墨烯进行硫掺杂的报道较少，仅有兰州大学高辉等人报道了将单质硫粉溶于己烷作为液态碳硫源，利用化学气相沉积在金属衬底上生长出S掺杂石墨烯。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法，以提供一种工艺简单，经济成本低，可以大规模生产的制备硫掺杂石墨烯的方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法，至少包括以下步骤：

1）提供一金属衬底，将该金属衬底置于化学气相沉积反应腔中；

2）采用惰性气体对所述反应腔进行通气及排气处理；

3）于第一温度下对所述反应腔通入氢气，以对所述金属衬底表面的氧化物进行还原；

4）于第二温度下将碳源气体与硫源气体通入所述反应炉进行反应，于所述金属衬底表面形成硫掺杂石墨烯；

5）于氢气及惰性气体气氛中对所述反应腔进行降温。

作为本发明的利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法的一种优选方案，所述金属衬底为铜箔或具有电镀铜表面的基底。

作为本发明的利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法的一种优选方案，步骤2）中，惰性气体的通气及排气处理时间为10～30min，气流范围为500～5000sccm。

作为本发明的利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法的一种优选方案，步骤3）所述第一温度为200～600℃。

作为本发明的利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法的一种优选方案，步骤3）所述氢气的气流范围为20～100sccm。

作为本发明的利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法的一种优选方案，步骤4）中，于900～1050℃的第二温度下，采用惰性气体、氢气、甲烷及硫化氢为反应气体形成硫掺杂石墨烯。

作为本发明的利用化学气相沉积法制备硫掺杂石墨烯的方法的一种优选方案，所述惰性气体气流为500～1500sccm，氢气气流为20～60sccm，甲烷气流为2～10sccm，硫化氢气流为1～5sccm。