[发明专利]一种双光束快速制备石墨烯图形的方法及装置

说明书

本发明公开了一种使用双光束制备石墨烯图形的方法及装置，所述方法包括连续激光束与短脉冲激光束同时聚焦到镍基底表面，短脉冲光束在激光脉宽时间内迅速将镍基底表面的光束聚焦区域加热至石墨烯生长温度，汇聚的连续激光束的持续加热使得该区域的温度稳定保持在石墨烯生长温度，进行石墨烯合成；所述装置设有脉冲激光单元、连续激光单元、二向色镜、光束整形与聚焦单元、真空腔、气体流量控制单元及三轴精密平移台，可实现任意石墨烯图形的快速制备。本发明使用较小的激光功率密度便可完成石墨烯图形的制备，有效降低了装置的成本，且由于脉冲激光加热速度快，热影响区小，有效提高了所制备的石墨烯图形的边缘质量及制备速度。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体而言，涉及一种双光束快速制备石墨烯图形的方法及装置。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化方式形成蜂窝状结构的二维材料，厚度仅为0.335nm。石墨烯具有优异的光学、电学、力学及物理学特性，是目前最薄但最坚硬的纳米材料，其电子能带、物理和化学特性易于调控，在微电子、光电子、自旋电子学、微纳传感器、能源、机械等领域具有良好的应用前景，是下一代微纳光机电器件的核心材料。所谓的石墨烯图形(Graphene Patterns)是的是完整的石墨烯薄膜经图形化后得到的具有特定功能的石墨烯结构。石墨烯的图形化是实现石墨烯器件功能的关键。目前石墨烯图形的制备主要采用先合成再刻蚀话的方法，即先采用化学气相沉积法，机械剥离法，氧化还原法或外延生长法获得大面积的石墨烯，再通过光刻、反应离子束刻蚀等方法制备石墨烯图形。这类方法需使用昂贵的光刻、刻蚀设备，成本高，制程复杂，且大部分的石墨烯在刻蚀过程中被去除，效率低。

使用聚焦激光束对基底局部区域进行加热是一种快速合成石墨烯图形的有效方法，它无需退火、刻蚀等过程，可直接合成所需要的石墨烯图形。中国专利CN103288073A公开了一种用激光化学气相沉积法制备石墨烯的装置，其特征在于：包括一个反应腔，其内设有用于卡紧铜箔的卡紧装置；一个红外激光加热装置，用于加热上述反应腔内的铜箔以制备石墨烯；一个真空泵，与反应腔连通以对其抽真空；以及一个反应气体输入管道，包括两输入段和一输出段，两输入段分别连通碳源气体源和辅助气体源。该装置使用一个红外激光加热装置对铜箔局部区域进行加热。专利中虽然没有指明所用激光是连续激光还是脉冲激光，但可以很明显地判断出专利所述的红外激光加热装置为连续激光，因为脉冲激光能量集中，它与物质的作用伴随着急剧快速的升温降温过程，无法为石墨烯的合成提供一个持续的稳定的高温环境。论文“J.B.Park,W.Xiong,Y.Gao,et al.Fast growth ofgraphene patterns by laser direct writing.Applied Physics Letters,2011,98(12):123109-123109-3”使用波长为532nm，功率为5W的连续固体激光器加热镍膜，快速制备出了线宽约为10μm的石墨烯结构。论文“Juan Jiang,Zhe Lin,Xiaohui Ye,etal.Graphene synthesis by laser-assisted chemical vapor deposition on Ni plateand the effect of process parameters on uniform graphene growth.Thin SolidFilms,2014,556(0):206-210”使用功率为2000W，出射波长为1064nm的连续光纤激光器加热镍箔，合成了线宽为1.5mm的石墨烯结构。

现有的基于激光辅助的化学气相沉积制备石墨烯的方法都是采用单个连续激光器对基底进行局部加热。使用单个连续激光器加热基底存在以下两方面的不足：首先，连续激光束需要很大的激光功率密度才能将基底加热至石墨烯生长温度(950℃)。激光功率密度与激光功率成正比，与光斑面积成反比，因此要求所使用的激光器具有很大的功率，或是被聚焦的很小。大功率的连续激光器价格十分昂贵，而聚焦的很小的连续激光束只能合成线宽很小的石墨烯图形，限制了该技术的应用。其次，大功率密度的连续激光束对镍基底的持续加热容易导致镍基底上大的热影响区域，影响石墨烯图形的边缘质量。