[发明专利]一种CVD石墨烯生长过程中的同步掺杂方法

说明书

本发明公开了一种CVD石墨烯生长过程中的同步掺杂方法，通过在铜箔表面进行掺杂元素沉积，在铜箔表面形成掺杂元素薄膜，经过高温退火后获得质地均匀的铜合金箔作为基板；使用常压化学气相沉积方法，将基板放入常压CVD生长炉中，随后通入保护气体，使常压CVD生长炉的反应区处于保护气氛中，对常压CVD生长炉进行升温，将反应区的温度提升到反应温度后，通入反应气体，使反应气体中C元素在基板上逐渐沉积生长，从而获得掺杂石墨烯。本发明的一种CVD石墨烯生长过程中的同步掺杂方法以铜箔和掺杂元素形成的合金箔作为基底生长石墨烯，实现在单晶石墨烯生长过程中的同步掺杂，获得晶格掺杂的单晶石墨烯，整体方法简单，控制方便，重复性好。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体地说，涉及一种CVD石墨烯生长过程中的同步掺杂方法。

背景技术

随着现代工业的发展，工业生产中产生的环境废气(NH₃、NO₂或NO等)成为形成酸雨、光化学烟雾和雾霾等自然灾害的主要因素，因此针对痕量(ppm) 甚至超痕量(ppb)有毒有害气体进行有效检测也愈发重要。电阻型气体传感器具有结构简单、便携性好和灵敏度高等优点，目前已经被广泛应用于化工、制药和食品等领域。然而，绝大部分电阻型气体传感器的工作温度高(通常大于200 ℃)、耐久性差，大大限制了它的应用场景。石墨烯等二维材料具有极高的比表面积和载流子弹道输运的特性，其电学性质受吸附气体分子的影响较大，适合应用于高性能气体传感器。未经掺杂的多晶石墨烯主要依靠范德华力和缺陷吸附或结合气体分子，选择性极差，且过多的缺陷会劣化石墨烯的电导率，降低石墨烯基气体传感器的灵敏度。掺杂的单晶石墨烯气体传感器具有比表面积高、选择性强、响应强度大和工作温度低等优势，探测极限可低至ppb级，是作为高性能室温气体敏感材料的理想选择之一。

掺杂方法是决定最终掺杂效果的决定性因素之一，至今仍未开发出合适的单晶石墨烯掺杂方法。半导体工业中常用的掺杂方法有离子注入和高温扩散，这两种方法可以适用于大部分厚度半导体薄膜材料。然而，石墨烯属于二维材料，其厚度仅为0.34nm。在高能离子或高温的作用下，石墨烯的晶格极易受到破坏，使石墨烯的载流子迁移率或电导率下降2～3个数量级，极大地劣化了石墨烯的本征性能。

石墨烯的掺杂方法主要有固相法、液相法和化学气相沉积法(CVD)。其中，液相法较难使掺杂原子进入石墨烯晶格，通常仅能在石墨烯表面形成修饰基团，极大地降低了石墨烯的电导率和载流子浓度；固相法通常使用等离子体或高温扩散的方式使掺杂原子进入石墨烯晶格，但是同时也会引入大量缺陷，降低了掺杂石墨烯气体传感器的选择性和响应强度；而CVD法则可以在单晶石墨烯生长的过程中，同步通入掺杂元素的碳氢化合物进行掺杂。然而，这些掺杂元素的碳氢化合物往往含有碳元素或卤族元素(BCl₃，CH₄N₂O或Ti(acac)₂等)，这会干扰石墨烯的成核及引入大量缺陷，甚至无法生长出单晶掺杂石墨烯。因此，亟需开发出一种合适的方法，使得单晶石墨烯在维持本征晶格特性的情况下获得掺杂元素。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于提供一种CVD石墨烯生长过程中的同步掺杂方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种CVD石墨烯生长过程中的同步掺杂方法，包括如下步骤：

基板制备，在铜箔表面进行掺杂元素沉积，使微量元素沉积在铜箔表面，形成掺杂元素薄膜，经过高温退火后获得质地均匀的铜合金箔作为基板；

制备掺杂石墨烯，常压化学气相沉积方法，将基板放入常压CVD生长炉中，随后通入保护气体，使常压CVD生长炉的反应区处于保护气氛中，对常压CVD 生长炉进行升温，将反应区的温度提升到反应温度后，通入反应气体，使反应气体中C元素在基板上逐渐沉积生长，从而获得掺杂石墨烯。

具体的，所述基板制备步骤中，还包括如下步骤：