[发明专利]一种在基材上气相沉积生长直立式石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生长石墨烯的方法，具体涉及一种在基材上气相沉积生长直立式石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。具有优异的机械、电学、光学和化学性能，在微电子学、复合材料、透明导电薄膜和能量储存等领域具有广泛的应用前景。

石墨烯首次是在2004年由英国曼彻斯特大学教授A.Geim通过机械剥离法从石墨上层层剥离得到单层石墨片，即石墨烯。此种方法可以获得极高质量石墨烯片，但是无法大量稳定生产石墨烯，多用于科学研究。除此之外，目前主要有三种生长石墨烯的方法：一、氧化石墨烯法。这种方法首先使石墨粉氧化，然后放入溶液内溶化，在基板上涂上薄薄的一层后再使其还原。其优点为制程的温度较低而且方法简单，缺点为采用折迭多个数十nm见方断片的构造，已被氧化的石墨烯不能完全被还原。二、SiC基板热分解法。这种方法是将SiC基板加热至1300℃左右后除去表面的Si，剩余的C自发性重新组合形成石墨烯片。其优点为不会受原来SiC基板上存在的若干凹凸的影响，可像从上面铺设地毯一样形成石墨烯片，缺点为需要非常高的处理温度，石墨烯片的尺寸不易达到数μm见方以上，而且很难转印至其他基板，只能使用昂贵的SiC基板。三、化学气相沉积（CVD）法。这种方法是在真空容器中将甲烷等碳素源加热至1000℃左右使其分解，然后在Ni及Cu等金属箔上形成石墨烯膜的技术。其优点是可大量稳定的制作出石墨烯，缺点为制作温度过高，无法在不耐高温基板上成长石墨烯。

    目前主要采用化学气相沉积（CVD）法制备石墨烯，中国申请号201010505469.2具有负电子亲和势的分形石墨烯材料及其制备方法和应用，公开了一种采用超高温化学气相沉积（UT-CVD），在衬底上沉积直立交错的单层和多层分形片状石墨烯。其沉积的方向不可控，不能进行石墨烯的均匀生长。而高质量、均匀性、方向可控的直立式石墨烯的制备仍然是石墨烯领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于针对上面所述缺陷，提供一种通过电场辅助，在基材上气相沉积生长直立式石墨烯的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的。

一种在基材上气相沉积生长直立式石墨烯的方法，包括以下步骤：

1）选择一基材，基材厚度优选25um-200um，在基材表面上沉积至少一层金属薄膜作为催化金属层，沉积厚度优选100-500nm；

2）将沉积在基材上的催化金属层转入化学气相沉积反应炉中，抽真空，基材升温至1000-1200⁰C，然后通入至少一种碳基气态反应物和载气的混合气体以及惰性气体，形成等离子体，使其中至少一种碳基气态反应物在高温下藉由金属催化剂分解，进而产生含碳的带电离子或原子及其活性基团；

3）存在一个电场，电场方向垂直于基材平面，电场提供足够的能量使带电的碳基气态离子团对基材进行轰击，使碳元素溶于催化金属层内；

4）降低基材温度至600-1000⁰C，催化金属层对碳的溶解度随着温度下降而降低，使碳元素过饱和析出至金属表面，并在催化金属层表面形成石墨稀薄膜；

5）维持基材温度在800⁰C以上，降低基材表面的垂直电场强度，使碳基气态离子团沿电场方向垂直基材外延生长，在催化金属层表面形成直立式石墨烯；

6）提升反应炉温度至1000-1200⁰C，利用氩气、氢气、氨气电浆后续处理，去蚀刻掉sp2和sp3混合的非晶质碳膜，提升石墨烯的质量。

进一步地，在步骤1）中，所述基材选择硅半导体或金属材料作为基材；所述衬底采用铁、钴、镍中的一种或多种元素混合的组合；

进一步地，在步骤3）中，所述碳基气态反应物为甲烷、乙烯、乙炔中的一种或多种的混合气体；所述载气为氢气、氨气、氮气中的一种或多种的混合气体；所述惰性气体为氮气和氩气中的至少一种，优选氩气。

进一步地，在步骤3）中，保持碳基气态反应物与载气的气体流量比例在1:1-8范围内。

进一步地，在步骤3）中，所述电场强度为70-150V/cm；在步骤5）中，所述电场强度为10-70V/cm。