[发明专利]用于连续生产高质量石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种使用金属基材连续制备包含石墨烯的膜的方法，其中加热金属基材的第一表面使得第一表面的顶层熔化以形成熔融金属层。本发明涉及一种通过该方法制备的包含石墨烯的膜以及一种用于实施该方法的装置。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2016年3月18日提交的、序号为62/310,350的、名称为“Method forContinuous Production of High Quality Graphene(用于连续生产高质量石墨烯的方法)”的美国临时专利申请的权益，在此明确地通过引用其全部内容将其所公开的内容并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于利用金属基材连续制造高质量石墨烯膜的方法。

背景技术

石墨烯是形成二维原子尺度六方点阵的碳的同素异形体，由于其优异的电学、机械和化学性质，已经变得对于在柔性电子设备中的应用十分有用。为了实现石墨烯的实际应用，已经越来越多地探索了在过渡金属表面上的大规模生产方法，例如化学气相沉积(CVD)。特别地，由于其在典型的生长温度下的低碳溶解度，铜已经变成普遍的催化底物。

然而，已经观察到严格二维石墨烯系统通常是热力学不稳定的，并且经常仅通过在第三方向上的扰动而存在。在第三方向上的这些波动通常导致石墨烯片表面的皱缩形貌，例如其上的“波纹”。目前理解的是，石墨烯波纹可能与(a)二维层或薄膜的热力学稳定性的问题；(b)金属基材和石墨烯之间的热膨胀系数差；和/或(c)在金属基材上晶界的存在相关。由于石墨烯表面形貌对其机械、电子、磁性和化学性质具有显着影响，因此理解和控制波纹的形成对于开发其优异的性质是重要的。

尽管用于制备石墨烯片的连续生产方法(例如卷对卷方法，其中含有碳的蒸气在例如铜箔的水平基材上反应)显著降低了生产成本，但是这种方法通常带来在生长的石墨烯表面上的不期望的皱纹或波纹。

因此，本领域需要制造高质量和大表面积石墨烯的方法，同时降低生产价格和不期望的表面形貌。

发明内容

本发明主要涉及制备包含石墨烯的膜，包括：将金属基材放入包含一个或多个加热元件和一个或多个气体供给组件的处理室中；加热所述金属基材以在金属基材的第一表面上形成熔融金属层，其中所述第一表面是顶表面；使熔融金属层与碳源气体、例如包含碳氢化合物的气体接触，以形成基本覆盖金属基材的第一表面的熔融金属层的包含石墨烯的层；固化熔融金属层；以及任选地分离包含石墨烯的层以形成包含石墨烯的膜。

附图说明

图1示出了根据本发明的方案的处理室的示例。

图2示出了在没有熔融顶层的铜箔基材上的石墨烯晶粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图3示出了在具有熔融顶层的铜箔基材上的石墨烯晶粒的SEM图像。

图4示出了根据本发明的方案的处理室的示例。

具体实施方式

本发明主要涉及用于在金属基材的表面上连续生产石墨烯膜的方法。根据一些方案，该方法包括卷对卷系统。如本文所使用的，“卷对卷”工艺是指利用柔性金属(例如金属箔)的一个或多个卷的连续生产方法。本发明还涉及用于实施这些方法的装置。

根据一些方案，本发明的方法可以包括将金属基材放置到处理室中。在一些方案中，金属基材包括平坦表面，并且金属基材可以是片材。金属基材包括一种或多种金属。根据本发明可用的金属的示例包括铜、镍、钌、铑、铝、及其合金和/或混合物。根据一些方案，可以通过使金属基材(例如金属箔或金属膜的片材)前进通过处理室而将金属基材放置到处理室中。