[发明专利]一种化学气相沉积法制备石墨烯

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯的方法，特别涉及一种采用化学气相沉积法制备石墨烯。

背景技术

石墨烯，即石墨的单原子层，是碳原子按蜂窝状排列的二维结构，也是构成其他低维度碳材料如富勒烯、碳纳米管的基本单元。按照层数，石墨烯可以分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯。石墨烯的研究由来已久，但是真正独立稳定存在的石墨烯则是由英国曼彻斯特大学的Geim等通过胶带剥离高定向石墨获得。自从石墨烯被发现以后，由于其优异的性能和巨大的应用前景引发了物理和材料科学等领域的研究热潮。但是可控合成具有特定形貌的石墨烯材料问题仍旧没有得到解决。基于此，石墨烯的研究仍停留在基础研究领域，距离大规模的应用仍有一段距离。

然而石墨烯物理性能和潜在应用的实现离不开高质量、低成本、大规模石墨烯的制备。当前制备石墨烯的主要方法有：微机械剥离法、化学气相沉积法、SiC表面石墨化法、有机分子分散法、离子插层法、溶剂热法、氧化还原法、C掺杂析出法等。微机械剥离法是采用离子束对物质表面刻蚀，并通过机械力对物质表面进行剥离制备石墨烯。但由于工艺复杂，制备的石墨烯产率低，不能满足工业化需求，在一定程度上限制了规模化生产。化学气相沉积法是利用化学反应在基底表面形成石墨烯薄膜的薄膜生长方法，已有通过CH₄分解、还原CO生成气态碳原子，产物沉积在基底表面，生成二维石墨烯薄膜。由于CH₄分解温度很高，这种方法只能适用于耐高温的少数材料基底。SiC表面石墨化法是在超高真空下将4H-SiC或6H-SiC加热到1300℃以上，SiC晶体表面的Si原子被蒸发后，碳原子发生重构，就可以在单晶Si面上生成二维石墨烯薄膜。这种方法制备出来的石墨烯薄膜厚度仅为1～2个碳原子层，具有高的载流子迁移率。但利用这种方法制备出来的石墨烯中并没有观测到量子霍尔效应，并且石墨烯表面的电子性质受SiC衬底的影响很大，进一步研究仍在进行中。有机分子分散法将石墨在有机溶剂中超声分散得到石墨烯的一种方法，这种方法得到的石墨烯缺陷少，但浓度不高。离子插层法首先制备石墨层间化合物，然后在有机溶剂中分散制备石墨烯，这种方法制备石墨烯分散度较低。溶剂热法是将反应物加入溶剂，利用溶剂在高于临界温度和临界压力下，能够溶解绝大多数物质的性质，可以是常规条件下不能发生的反应在高压下能够以较低的温度进行，或加速进行。这种方法发展时间短，现阶段许多理论和技术问题仍不能突破，有待进一步探索。氧化还原法是将石墨氧化得到在溶液中分散的氧化石墨烯，再用还原剂还原制备石墨烯；其成本低、产率高，但强氧化剂完全氧化过的石墨难以完全还原，导致其一些物理、化学等性能，尤其是导电性能的损失。C掺杂析出法是利用MBE生长C掺杂的GaAs材料，通过提高温度使GaAs分解，其中C原子析出形成石墨烯，这种方法可控性很低，生成的石墨烯质量比较低，仍然处于摸索阶段。这就要求提高现有制备工艺的水平，目前石墨烯的制备仍然是这一领域的技术难题。

化学气相沉积是半导体工业中最常用的一种沉积技术。这种方法的原理是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。

发明内容

本发明提供了一种化学气相沉积法制备石墨烯，通过提供一种铜镍以53∶47为比例的铜镍合金基底以提高石墨烯在基底上的生长速度。石墨烯的制备从生长机理上主要分为两种：1)渗碳析炭机制：对于镍等具有较高溶碳量的金属基底，碳源裂解产生的碳原子在高温时渗入金属基底内，在降温时再从其内部析出成核，进而生长石墨烯；2)表面生长机制：对于铜等具有较低溶碳量的金属基底，高温下气态碳源裂解生成的碳原子吸附在金属表面，进而成核生长成“石墨烯岛”，并通过“石墨烯岛”的二维长大合并得到连续的石墨烯薄膜。本案中铜镍合金基底的温度在400～600℃范围内，石墨烯的生长遵从表面生长机制，而且与采用纯铜薄膜作为基底相比，采用基底中铜镍合金的比例为53∶47时，石墨烯薄膜的生长速度最快。镍在石墨烯生长过程中起到了促进石墨烯生长的作用。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种化学气相沉积法制备石墨烯，其通过以下工艺流程：

步骤1、选用单晶硅为基底，采用铜靶和镍靶的溅射功率分别为120～200W、80～100W以铜、镍双靶磁控共溅法在单晶硅表面制备厚度为3～5μm铜镍合金薄膜；

步骤2、将表面沉积有铜镍合金薄膜的单晶硅基底转移入化学气相沉积(CVD)的反应炉中，向所述反应炉中通入流速为500sccm的氦气，持续通入10min，排尽所述反应炉中的空气；