[发明专利]一种石墨烯包覆硅烯、制备方法及其使用方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯包覆硅烯、制备方法及其使用方法。该制备方法包括如下步骤：将金属催化基底放置在反应腔体中，去除金属催化基底上的自然氧化层，暴露出金属层，选择气态烃类碳源作为前驱体，通过化学气相沉积法在金属层上形成石墨烯；关闭反应腔体的气态烃类碳源，通入含硅气体源以及还原性气体，使蒸发的硅原子在石墨烯表层上外延生长硅烯；仅关闭含硅气体源，或者同时关闭含硅气体源和还原性气体，并通入气态烃类碳源，以在硅烯表面包覆碳原子，从而获得石墨烯包覆硅烯。本发明中获取的硅烯可以在空气中保持原有结构两年以上，并且该方法打破传统方法，制备条件较为宽松且简单。

技术领域

本发明涉及硅烯制备技术领域，尤其涉及一种基于金属催化制备的石墨烯包覆硅烯、制备方法及其使用方法。

背景技术

硅烯是一种硅原子呈平面蜂窝状排列的二维纳米材料，具有良好的二维晶体结构和电学性质。与零带隙的石墨烯相比，硅烯具有一定的禁带宽度，因此在半导体电子器件和光电子器件领域有广泛的应用前景。硅烯的sp²-sp³结构特性表面极其敏感，导致其化学环境非常活泼，这使得制备硅烯具有较强的局限性。

目前制备硅烯的方法有硅源蒸发外延生长法。在高真空环境中，将硅片作为硅源，通过高温加热将硅原子沉积在不同的基底上，被选择的基底有定向晶相的单晶，如Ag(001)，Ag(110)，Ag(111)，Ir(111)或ZrB₂(0001)。但是，当蒸发的原子在基底上外延生长硅烯时，由于受到较强的界面相互作用，硅烯会出现重构，原子层翘曲程度发生变化，有些原子会上升，有些原子会下降，导致晶胞变大，对称性降低，或形成少层(few-layer)结构，从而破坏硅烯的狄拉克-费米特性，影响硅烯膜层材料的性能，此外，通过上述基底得到的硅烯不仅成本高，而且尺寸极其微小且不能暴露空气中。还有一些研究人员采用氧化铝覆盖的方法来保护合成在银表面的硅烯，然而这种方式制备获得的硅烯非常不稳定，不到一天时间就会被完全氧化。

因此，解决硅烯制备条件苛刻以及提高硅烯在空气中的稳定性是硅烯发展中亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是要解决硅烯制备条件苛刻的技术问题。

本发明的另一个目的是要提高硅烯在空气中的稳定性。

特别地，本发明提供了一种基于金属催化制备石墨烯包覆硅烯的方法，包括如下步骤：

将金属催化基底放置在反应腔体中，去除所述金属催化基底表面上的自然氧化层，暴露出金属层，选择气态烃类碳源作为前驱体，通过化学气相沉积法在所述金属层上形成石墨烯；

关闭所述反应腔体的所述气态烃类碳源，通入含硅气体源以及还原性气体，以使蒸发的硅原子在所述石墨烯表层上外延生长硅烯；

仅关闭所述含硅气体源，或者同时关闭所述含硅气体源和所述还原性气体，并通入所述气态烃类碳源，以在所述硅烯表面包覆碳原子，从而获得金属基底上的石墨烯包覆硅烯。

可选地，在获得所述石墨烯包覆硅烯的整个过程中保持反应温度在400-1000℃。

可选地，在获得所述石墨烯包覆硅烯的整个过程中保持反应温度在600-800℃。

可选地，在所述石墨烯表层上外延生长硅烯的步骤中反应时间为5-50s，所通入的所述含硅气体源的气体流量为2-20sccm，所述还原性气体的气体流量为5-30sccm。其中，sccm为体积流量单位。

可选地，在所述硅烯表面包覆碳原子的步骤中反应时间为5-50s，所通入的所述气态烃类碳源的气体流量为10-100sccm；

可选地，在所述硅烯表面包覆碳原子的步骤中，所通入的所述还原性气体的气体流量为5-30sccm。