[发明专利]一种高质量石墨烯薄膜及其制备方法

说明书

本发明型公开了一种高质量石墨烯薄膜及其制备方法，制备过程包括：（1）利用固体小颗粒聚苯乙烯做碳源；（2）在通过CVD的方法制在铜箔基底表面吸附成核形成石墨烯；（3）将铜箔用腐蚀液刻蚀掉，然后再将石墨烯转移到任意的SiO₂/Si基底或者玻璃基底上得到单层大面积石墨烯。本发明所用原料易得，技术成熟，成本较低，制备周期短，操作过程简单易控，制得的石墨烯具有优异的纯度，较好的机械性能、柔性、导电性。

技术领域

本发明涉及一种高质量石墨烯薄膜及其制备方法。

背景技术

二维晶体材料一般是指在二维方向上的尺度达到纳米尺寸的材料。早期科学家们认为，在自然界中找不到严格的二维晶体材料，因为它不具备热力学稳定性。直到2004年，科学家首次通过机械剥离的方法得到了石墨烯，才证实了二维结构的石墨烯能够稳定存在。自发现以来，石墨烯的各个方面的优异性能就引起了科学家们的注意并掀起了一股研究石墨烯的热潮，近年来研究领域从材料科学到电子器件方面涉及广泛。

单层石墨烯是由碳原子sp²杂化堆垛而成并且每个碳原子杂化形成 3个共价键,分别与周围最邻近的3个碳原子形成3个σ键, 剩余的1个p电子与周围的原子形成 π 键，这种堆垛方式形成的薄膜厚约为0.335 nm 。近年来制备石墨烯常见的方法有很多，包括机械剥离法、外延生长法、化学剥离还原法、化学气相沉积法（CVD）等。

化学气相沉积法（CVD）的原理是反应物质在高温条件下，分解或合成气态并在固体衬底上沉积，最后得到固体材料。采用化学气相沉积获得石墨烯，对实验设备的要求比较简单，价格相对低廉，制备出来的石墨烯尺寸相对较大，而且缺陷相对较低。并能通过化学的方法刻蚀掉金属基底，可以将石墨烯转移到任意目标衬底上，有利于石墨烯薄膜的应用。本文发明就是用这种方法。以固体小颗粒聚苯乙烯做碳源，制备出来大面积单层石墨烯使制备成本更加低廉。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：以固体小颗粒聚苯乙烯做为碳源，通过CVD法制备高质量单层石墨烯，获得的石墨烯薄膜具有优异的纯度，较好的机械性能和较高的柔性及导电性，该制备方法步骤简单，对实验条件要求不高。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：常压下在管式炉中，通过CVD法在基底铜箔上制备石墨烯薄膜。所述的方法制备的石墨烯薄膜，其特征在于：纯度高，机械性能好，柔性及导电性好。

本发明提供了一种石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：用白色小颗粒状聚苯乙烯作为碳的前驱体；步骤S2：以铜箔为基底；步骤S3：通过CVD法在单温区开启式真空管式炉中反应。

进一步，所述的石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，用锡箔纸包裹装有聚苯乙烯的称量瓶放置在石英管的上游处，当聚苯乙烯的温度达到330～380 ℃之间时剧烈挥发裂解出碳原子。

进一步，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，铜箔（厚25 μm，纯度99.80%）的尺寸为1 cm × 1 cm，分别用10%的稀盐酸、异丙醇、去离子水50 ℃超声15min。

进一步，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，管式炉温度设置为1000 ℃，反应过程中通入400 sccm的气体（10% H2/Ar），反应时间：恒温3 min。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1）本发明制备的石墨烯薄膜具有优异的纯度，较好的机械性能和较高的柔性及导电性；

2）本发明采用CVD法来制备石墨烯，原材料易得，且成本较低，实验过程简单；

3）本发明的制备方法简单，没有使用到有害化学试剂，实验对环境没有污染。

附图说明