[发明专利]一种高质量晶圆级石墨烯单晶的制备方法

说明书

本发明提供一种高质量晶圆级石墨烯单晶的制备方法，包括：将经等离子体处理后的金属箔置于反应炉中并通入惰性气氛，然后升温至退火温度后再通入氢气进行退火处理，所述金属箔为铜箔、镍箔、钼箔、钴箔中的一种；向反应炉中导入碳源，调节退火温度至石墨烯单晶的生长温度后开始石墨烯单晶的生长，待生长结束后冷却至室温；所述等离子体处理的气氛为空气、氢气、氩气、氧气、氮气中的至少一种，功率为100～150W，压力为400～500Pa，时间为1～30分钟。

技术领域

本发明涉及一种高质量晶圆级石墨烯单晶制备方法，属于石墨烯单晶领域。

背景技术

自从2004年英国曼彻斯特大学两位科学家发现石墨烯，以及迄今人们对其研究与应用，石墨烯以其优异的性能展现出不可估量的应用前景。石墨烯独特的晶体结构赋予其新奇的性质，如高热导性、高机械强度，高迁移率，高透光性等。

尽管石墨烯在诸多领域具有很大的潜在应用，可是在研究如何制备出高质量、大尺寸石墨烯单晶的方法上依旧任重道远。在现有的制备方法中，气相沉积法被普遍采用。该方法主要利用金属作为催化剂，操作简单，制备出质量较好的石墨烯单晶，但是由于成核密度高、尺寸小，存在大量晶界，极大的降低了石墨烯单晶的优异性能，从而限制了石墨烯的应用。

为了降低成核密度，制备高质量、大尺寸石墨烯单晶，从而提升石墨烯单晶性能，充分发挥其实际应用价值。近年来，很多科研工作者在这方面做出了不懈的努力，也取得了很大的进展。比如，将铜箔对折、卷成管状、叠成密封的小盒子。这样处理铜箔构成一个封闭或半封闭式结构，减少铜箔内侧对碳源的溶解量，从而抑制成核密度，但是狭小的封闭或半封闭式结构也阻碍了石墨烯单晶长大，且不方便于转移，降低石墨烯单晶的利用率^[1],[2]。此外，还有在生长阶段通入氧气，通过氧气催化生长，有利于生长大尺寸单晶，但是该方法操作困难，安全系数低，不利于大批量生产石墨烯单晶^[3],[4]。近来，还有在单晶Cu(111)上生长石墨烯单晶，其方法主要如下，通入高流量氢气，长时间低压环境，或是利用高端可移动设备等制备单晶Cu(111)。这些方法均存在危险性，工艺复杂，条件苛刻，耗时耗材等不足之处^[1],[5],[6]。因此，寻求出更加优异的方法制备出大尺寸高质量石墨烯单晶具有重大的科学意义与实际需求。

参考文献

[1]Hao Y,Wang L,Liu Y,et al.Oxygen-activated growth and bandgaptunability of large single-crystal bilayer graphene[J].Nature nanotechnology,2016,11(5):426.；

[2]Li B W,Luo D,Zhu L,et al.Orientation‐Dependent Strain Relaxationand Chemical Functionalization of Graphene on a Cu(111)Foil[J].AdvancedMaterials,2018.；

[3]Chen J,Cui M,Wu G,et al.Fast growth of large single-crystallinegraphene assisted by sequential double oxygen passivation[J].Carbon,2017,116:133-138.；

[4]Lin L,Sun L,Zhang J,et al.Rapid Growth of Large Single‐CrystallineGraphene via Second Passivation and Multistage Carbon Supply[J].AdvancedMaterials,2016,28(23):4671-4677.；