[发明专利]一种控制石墨烯晶核生长的载具

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制石墨烯晶核生长的载具领域。

背景技术

石墨烯是碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂巢状结构，仅一个原子层厚的二维晶体。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov等人发现稳定存在的单层石墨烯，也因其在石墨烯方面的开创性工作而获得2010年诺贝尔物理学奖。近年来，石墨烯在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景，吸引了科学界和工业界的广泛关注。石墨烯具有优异的力、热、光、电等性质。石墨烯常温下的电子迁移率超过15000cm2/V·s，超过碳纳米管和硅晶体，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银的更低，是目前世上电阻率最小的材料。而其高达97.7％的全波段透光率是其他导电材料难以匹敌的。

目前工业上普遍采用化学气相沉积(CVD)法作为制备大面积石墨烯的方法。但是对于石墨烯质量，例如组成石墨烯薄膜的晶核大小、晶核密度、石墨烯薄膜的层数等都难以控制，从而导致石墨烯薄膜整体的电学性能远远低于理论值。本发明公开了一种控制石墨烯生长的载具及石墨烯生长方法，在石墨烯成核阶段控制成核密度，从而实现大晶筹高质量石墨烯的制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制石墨烯晶核生长的载具。解决了现有方法在生长过程中晶筹不可控造成的石墨烯薄膜晶核过小，密度过大造成缺陷的问题，从而制备出高质量大晶筹的石墨烯薄膜。

本发明涉及的一种控制石墨烯晶核生长的载具，是一种耐高温的载具，包括上盖、盒子和用于生长石墨烯的平直的金属基底，上盖上开有小孔，上盖和盒子均由石墨、石英、氮化硅或碳化硅等熔点大于1000摄氏度的耐高温材料制成；上盖下表面为平直的，盒子包括底座和四周的围壁，盒子上端开口，底座为平的底壁；金属基底大小小于底座的大小，用于生长石墨烯的平直的金属基底放置于盒子的底座上后金属基底与盖在盒子上的上盖下表面距离小于等于2mm；盒子四周的围壁等高，上盖和盒子四周的围壁的上边缘贴合；载具的尺寸与CVD管式炉的石英管的管径大小匹配，可将包含金属基底的载具一起放入石英管内进行石墨烯生长。

进一步的，所述小孔直径为0.5～2mm。

进一步的，所述小孔数目可以是单孔、或者多孔、或者多孔阵列。

进一步的，所述金属基底可以为铜箔、Ru、Ni、Ir或Pt中的一种或者两种的合金。

进一步的，所述盖子在四周有围壁，下端开口，盖子的围壁在盒子的围壁的内侧或外侧与其相贴合，盖子的围壁的高度可以大于、等于或小于盒子围壁的高度。

进一步的，所述盖子和盒子的底座为圆形，盖子在围壁开口端的外侧或内侧上有螺纹卡合的螺纹，相应的盒子的围壁开口端的内侧或外侧有相贴合的螺纹卡合的螺纹。

进一步的，所述上盖和底座的形状可以为方形、圆形、椭圆形、梯形等形状。

本发明的一种控制石墨烯晶核生长的载具，使用方法如下：

该方法通过使用上述任一载具制备石墨烯，包括以下步骤：

步骤一：金属基底预处理

金属基底用乙醇和丙酮超声清洗，再放入稀硝酸中清洗；

步骤二：金属基底退火

将金属基底放入权利要求1所述的载具内，盖上上盖1，将载具和金属基底2一并放入CVD管式炉中，在H2流速为50～200sccm，压强为20～100Pa，温度为900～1050℃条件下退火，退火时间大于30分钟；

步骤三：石墨烯成核

金属基底在载具内，在H2流速为100～200sccm，通入0.1～3sccm的CH4，压强控制为10～50Pa，成核时间5～10分钟。

步骤四：冷却

CVD管式炉停止通入CH4，并停止加热，在H2气中降温度降至室温。

步骤五：氧化

将金属基底2放在加热台上，在140℃-180℃下加热1-3分钟，使未长有石墨烯晶筹的部分氧化。