[发明专利]一种基于多晶铜箔的毫米级单层单晶石墨烯的制备方法

说明书

一种基于多晶铜箔的毫米级单层单晶石墨烯的制备方法，属于薄膜石墨烯材料的制备技术领域。本发明在氩气、氢气和氧气气氛下，对铜箔进行加热，利用甲烷在铜箔表面的催化裂解，在矩形盒子的内壁上生长形成大尺寸的单层单晶石墨烯。本发明无需对铜箔进行复杂的预处理，仅用无水乙醇对铜箔表面进行简单清洁即可，且不会引入新的杂质。本发明无需对铜箔进行预氧化处理，在石墨烯的制备过程中，通过控制氧气的流量和控制CVD反应腔体内的压强，即可实现石墨烯的单晶生长。在利用最优化氧气流量参数下，通过控制甲烷的持续时间来控制单晶石墨烯的生长时间，从而调控单晶石墨烯的尺寸。

技术领域

本发明属于薄膜石墨烯材料的制备技术领域，具体是涉及一种基于多晶铜箔的毫米级单层单晶石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是碳原子通过SP²杂化形成的具有蜂窝结构的二维材料。这种材料具有优异的导电、传热、透光及柔韧属性，因而广泛应用于以光电器件为典型的众多应用领域。另外，在实现石墨烯(尤其是石墨烯单晶)带隙调控和快速、低成本制备的前提下，石墨烯甚至有可能取代硅、锗等传统半导体材料，成为下一代信息集成器件的基础材料。但石墨烯的各种优异的性能只有在石墨烯质量很高时才能体现，随着层数的增加和内部缺陷的累积，石墨烯诸多优越性能都将降低。要真正的实现石墨烯应用的产业化，体现出石墨烯替代其他材料的优越品质，必须在制备方法上寻求突破。

自2004年Geim等人首次用微机械剥离法制备出石墨烯以来，科研人员又开发出众多制备石墨烯的方法。目前，仅有氧化还原石墨烯法和化学气相沉积法(CVD)适合于规模化生产。氧化还原石墨烯法用于制备石墨烯粉体，目前已可实现吨级制备，但制备大面积、均一厚度的高质量石墨烯仍是极大挑战。化学气相沉积法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法。而且，利用化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯的工艺发展迅速。据报道，毫米级单层大单晶石墨烯已可在实验室环境实现。但此类大单晶石墨烯的制备条件严苛、制备工艺复杂。近年来，研究人员发现氧气在调控石墨烯生长过程中起着重要的作用，并开发出氧辅助化学气相沉积法。通过对铜箔预氧化处理，单晶石墨烯的成核密度可被控制在极低的水平，在此基础上实现了毫米级单晶石墨烯的制备。显然，铜箔的预氧化程度决定了单晶石墨烯的品质。然而，关于何种氧化程度最有利于单晶石墨烯的生长这一问题，既无定论，也没有量化标准。目前的氧辅助化学气相沉积法仍然是基于各自经验，因而制备条件和工艺流程各异。

而且，铜箔在使用之前，一般都会进行清洗处理。专利号为201610588332.5的发明专利公开了一种毫米级单层单晶石墨烯的制备方法，该方法采用化学气相沉积法，以甲烷为碳源，氢气和氩气为载气，通过优化铜箔退火条件，调控反应气体比例，生长出毫米级单层单晶石墨烯。该方法中提到，铜箔放入管式炉石英管之前，先对铜箔进行预处理，预处理为：用剪刀将铜箔剪切成合适大小，将其放入稀盐酸中进行超声清洗，然后转移至丙酮溶液中超声清洗，清洗结束后用氮气吹干，待用。该方法采用稀盐酸对铜箔进行清洗，铜箔的清洗程度及清洗时间难以控制，而且经稀盐酸腐蚀后，铜箔表面变脏，极容易引入新的杂质，影响后续石墨烯的制备。

本发明提出了一种新的制备方法，无需对铜箔进行复杂的预处理，便可对铜箔表面进行清洁，同时通过控制氧气流量和CVD反应腔体的气压，即可实现毫米级单层单晶石墨烯的生长，克服了铜箔预氧化难以量化处理的问题。该方法制备的单晶石墨烯产率高，且完全可重复。

发明内容

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种基于多晶铜箔的毫米级单层单晶石墨烯的制备方法，该方法无需对铜箔进行复杂的预处理，便可对铜箔表面进行清洁，同时通过控制氧气流量和CVD反应腔体的气压，即可实现毫米级单层单晶石墨烯的生长。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于多晶铜箔的毫米级单层单晶石墨烯的制备方法，具体步骤为：