[发明专利]一种快速连续制备大晶畴石墨烯薄膜的方法

说明书

本发明提供了一种快速连续制备大晶畴石墨烯薄膜的方法，涉及大晶畴石墨烯薄膜的制备方法。其主要特征为用金属箔片作为催化剂及生长基底，用氧化物为衬底使金属箔片穿过氧化物衬底夹层，然后利用常压化学气相沉积法，通过两端的转动装置，快速连续获得大晶畴高质量石墨烯薄膜。本发明提出的方法，解决了CVD方法制备的石墨烯薄膜晶畴尺寸小、电学性能低、基底表面处理工序复杂且生长周期长等技术问题，通过非常简单的方法，实现了快速连续制备大晶畴石墨烯薄膜样品。

技术领域

本发明涉及一种快速连续制备大晶畴石墨烯薄膜的方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状结构，是构成其他维度碳质材料的基本单元。石墨烯独特的晶体结构赋予其一系列新奇的物理特性。石墨烯的价带和导带在费米能级的六个顶点上相交，是一种零带隙材料，且其能带结构在费米能级附近呈线性关系，载流子的有效质量表现为零，所以石墨烯具有超高的载流子迁移率(其载流子迁移率理论上最高可达到200 000cm²V^-1s^-1，比硅高100倍)，并且这种载流子传输性能受温度影响极小。正是这种独特的性能，使得石墨烯在基于硅基互补型金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的微电子技术将趋近于发展极限的今天，被公认为的最有可能替代硅的材料之一。另外，单层石墨烯的透光性达到97.7％，加上其优异的导电性，是一种非常理想的新一代透明导电薄膜的材料。

尽管石墨烯在很多领域具有巨大的潜在应用，但是目前为止仍然没有合适的制备方法可以高效率地获得高质量的石墨烯，研究者们在实现石墨烯实际应用的道路上依旧艰难前行。现有石墨烯制备方法中，过渡金属表面化学气相沉积(CVD)方法由于其简单易行、操作容易、制备出的石墨烯质量较高、尺寸较大等特点而备受瞩目。然而，目前CVD方法制备出的大尺寸石墨烯薄膜是由小尺寸石墨烯畴融合而成，多数为多晶石墨烯，存在大量的晶界，这极大限制了石墨烯的迁移率和导电性能。为了降低石墨烯薄膜晶界密度，提高石墨烯的质量，往往通过供给极低的碳源和大量的还原气体，来降低石墨烯的成核密度，进而得到大单晶石墨烯构成的石墨烯薄膜。但这种方法由于碳源供给限制，石墨烯薄膜生长速度极慢，长时间的高温生长，带来大量能耗和气体消耗，使得成本极大增加。因此优化现有CVD方法，寻找一种既可以降低形核密度、又可以增加生长速率的有效手段，实现快速制备大晶畴石墨烯，对于石墨烯的实际应用及产业化具有重要意义。

发明内容

本发明提出一种利用氧化物衬底夹层和转动装置，同时在多个金属箔片上连续生长大晶畴石墨烯薄膜的方法。

一种快速连续制备大晶畴石墨烯薄膜的方法，将金属箔片置于氧化物衬底的夹层中，并在金属箔片表面生长出高质量大晶畴石墨烯薄膜。

优选的是，所述金属箔片不进行任何表面处理，即，将从公开商业途径获得的金属箔片直接用于本方法中而不需要做任何表面预处理。

优选的是，所述方法包括如下步骤：

(一)、将所述金属箔片置于氧化物衬底的夹层中，放入化学气相沉积设备中，通入惰性气体，然后开始升温；

(二)、温度升至900～1100℃时，通入H₂气体，H₂流量为2～50sccm，同时开始通入CH₄气体，CH₄流量为0.5～50sccm；

(三)、生长过程中控制转动装置缓慢转动两端转轮，使多个金属箔片同时从氧化物衬底夹层中缓慢通过，转速(线速度，同时也是金属箔片的移动速度)为0.2cm/min---50cm/min。

(四)、生长结束后，冷却至室温，即得到大晶畴石墨烯薄膜。

优选的是，所述方法包括如下步骤：