一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體，它是構(gòu)成零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等sp2雜化碳的基本結(jié)構(gòu)單元，具有很多優(yōu)異的電子及機(jī)械性能，因而吸引了化學(xué)、材料等其他領(lǐng)域科學(xué)家的高度關(guān)注。石墨烯由于其特殊的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)在納米電子器件、儲(chǔ)能材料、光電材料等方面具有潛在應(yīng)用。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)石墨稀的應(yīng)用，制備大面積尚質(zhì)量的石墨稀一直是石墨稀研究的個(gè)重要課題。目前主要有微機(jī)械剝離法、加熱S iC單晶法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)還原石墨烯氧化物等方法。相比較以上制備方法而言，化學(xué)氣相沉積法提供了一條有效的途徑來可控地合成和制備石墨烯薄膜。以金屬單晶或金屬薄膜為襯底，在其表面上暴露并高溫分解含碳化合物可以生成石墨烯結(jié)構(gòu)。通過襯底材料的選擇、生長(zhǎng)的溫度、碳源、載氣流量、生長(zhǎng)時(shí)間等生長(zhǎng)參數(shù)能夠?qū)κ┑纳L(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控。
[0004]現(xiàn)有石墨烯的CVD法制備過程為以金屬薄膜為襯底，生長(zhǎng)完畢后將石墨烯轉(zhuǎn)移至所需襯底，轉(zhuǎn)移過程中很容易造成對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的破壞，往往需要進(jìn)行摻雜，摻雜劑有括CuC12、CaC12、FeC13、NaCl、HN03、H2S04、KMn04、AuC13 等，尤其金屬粒子摻雜效果較好。所述摻雜工藝成本較高，而且工藝過程復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，石墨烯薄膜生長(zhǎng)后不需要轉(zhuǎn)移，可直接用于器件制備和透明電極等應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一，對(duì)絕緣襯底進(jìn)行預(yù)處理；
[0008]步驟二，在預(yù)處理后的絕緣襯底上鍍一層金屬催化劑，催化劑層的厚度在5nm以內(nèi)；
[0009]步驟三，將鍍有金屬催化劑的絕緣襯底放入CVD爐的腔體內(nèi)，通入載氣，進(jìn)行升溫至生長(zhǎng)溫度；
[0010]步驟四，向CVD腔體內(nèi)通入碳源氣體，碳源氣體在金屬表面成核，并生成石墨稀結(jié)構(gòu)，由于催化劑層較薄，除去高溫下的揮發(fā)量，剩余少量金屬催化劑可以對(duì)石墨烯進(jìn)行原位慘雜；
[0011]步驟五，生長(zhǎng)完成后，停止加溫，待腔體降至室溫，取出生長(zhǎng)了石墨烯薄膜的絕緣襯底。
[0012]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0013]進(jìn)一步，所述步驟一中的所述絕緣襯底為硅片或帶有二氧化硅層的硅片或帶有氮化硅涂層的硅片或石英片或藍(lán)寶石。
[0014]進(jìn)一步，所述清洗為在丙酮、異丙醇、乙醇、去離子水中的一種或多種中進(jìn)行超聲波清洗。
[0015]進(jìn)一步，所述步驟一中預(yù)處理為用純度為99.999%的氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵蘸嫦浼訜嶂?60-80°C，烘烤 15-30min。
[0016]進(jìn)一步，所述步驟二中采用磁控濺射法或電子束蒸發(fā)法或分子束外延法在所述絕緣襯底上鍍一層金屬催化劑。
[0017]進(jìn)一步，所述金屬催化劑為鐵、鎳、鈷、釕、銅的任意一種或至少兩種的合金。
[0018]進(jìn)一步，所述步驟二中的所述金屬催化劑的厚度為l_5nm。
[0019]進(jìn)一步，所述步驟三中的生長(zhǎng)溫度為800-1200°C。
[0020]進(jìn)一步，所述步驟四中的所述碳源氣體為甲烷或乙烯或乙炔。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，在絕緣基底上鍍一層金屬催化劑后，直接制備出大面積高質(zhì)量的石墨烯，由于催化劑層厚度較薄，除去高溫下的揮發(fā)量，剩余少量催化劑金屬可以對(duì)石墨烯直接進(jìn)行原位摻雜，提高了石墨烯的質(zhì)量。該方法操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)高效，所制備的石墨烯直接生長(zhǎng)在絕緣襯底上，避免了轉(zhuǎn)移過程對(duì)石墨烯的損傷，可直接用于器件制備和透明電極等應(yīng)用。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0024]具體實(shí)施例一
[0025]將硅片襯底放入丙酮中進(jìn)行超聲波清洗15min，然后取出硅片襯底，用純度為99.999%的氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵湛鞠鋬?nèi)加熱至60°C，烘烤30min，待烘烤完成后，在硅片襯底的上表面通過磁控濺射法鍍上一層Inm的銅催化劑，然后將硅片襯底放入CVD爐的腔體內(nèi)，通入氬氣，將CVD爐的腔體內(nèi)的溫度升至800°C，向CVD爐的腔體內(nèi)通入甲烷氣體，甲烷氣體在銅表面成核，并生成石墨烯結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)時(shí)間為20min，生長(zhǎng)完畢后停止加熱，停止通入甲烷，繼續(xù)通入氬氣，待腔體降至室溫，取出生長(zhǎng)了石墨烯薄膜的硅片襯底。
[0026]具體實(shí)施例二
[0027]將石英片襯底放入異丙醇中進(jìn)行超聲波清洗30min，然后取出石英片襯底，用純度為99.999%的氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵湛鞠鋬?nèi)加熱至80°C，烘烤30min，待烘烤完成后，在石英片襯底的上表面通過電子束蒸發(fā)法鍍上一層5nm的鎳催化劑，然后將石英片襯底放入CVD爐的腔體內(nèi)，通入氬氣，將CVD爐的腔體內(nèi)的溫度升至1200°C，向CVD爐的腔體內(nèi)通入乙炔氣體，乙炔氣體在鎳表面成核，并生成石墨烯結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)時(shí)間為20min，生長(zhǎng)完畢后停止加熱，停止通入乙炔，繼續(xù)通入氬氣，待腔體降至室溫，取出生長(zhǎng)了石墨烯薄膜的石英片襯底。
[0028]具體實(shí)施例三
[0029]將藍(lán)寶石襯底放入乙醇中進(jìn)行超聲波清洗20min，然后取出藍(lán)寶石襯底，用純度為99.999%的氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵湛鞠鋬?nèi)加熱至70°C，烘烤20min，待烘烤完成后，在藍(lán)寶石襯底的上表面通過分子束外延法鍍上一層3nm的鈷催化劑，然后將藍(lán)寶石襯底放入CVD爐的腔體內(nèi)，通入氬氣，將CVD爐的腔體內(nèi)的溫度升至1000 °C，向CVD爐的腔體內(nèi)通入乙烯氣體，乙烯氣體在鎳表面成核，并生成石墨烯結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)時(shí)間為30min，生長(zhǎng)完畢后停止加熱，停止通入乙烯，繼續(xù)通入氬氣，待腔體降至室溫，取出生長(zhǎng)了石墨烯薄膜的石英片襯底。
[0030]具體實(shí)施例四
[0031]將帶有二氧化硅層的硅片襯底放入去離子水中進(jìn)行超聲波清洗25min，然后取出帶有二氧化硅層的硅片襯底，用純度為99.999%的氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵湛鞠鋬?nèi)加熱至60°C，烘烤30min，待烘烤完成后，在帶有二氧化硅層的硅片襯底的上表面通過磁控濺射法鍍上一層Inm的釕催化劑，然后將帶有二氧化硅層的硅片襯底放入CVD爐的腔體內(nèi)，通入氬氣，將CVD爐的腔體內(nèi)的溫度升至900°C，向CVD爐的腔體內(nèi)通入甲烷氣體，甲烷氣體在釕表面成核，并生成石墨烯結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)時(shí)間為20min，生長(zhǎng)完畢后停止加熱，停止通入甲烷，繼續(xù)通入氬氣，待腔體降至室溫，取出生長(zhǎng)了石墨烯薄膜的硅片襯底。
[0032]本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，在絕緣基底上鍍一層金屬催化劑后，直接制備出大面積尚質(zhì)量的石墨稀，剩余少量催化劑金屬可以對(duì)石墨稀直接進(jìn)彳丁慘雜，提尚了石墨烯的質(zhì)量。該方法操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)高效，所制備的石墨烯直接生長(zhǎng)在絕緣襯底上，避免了轉(zhuǎn)移過程對(duì)石墨烯的損傷，可直接用于器件制備和透明電極等應(yīng)用。在本發(fā)明中，由于蒸鍍的金屬催化劑厚度在5nm以內(nèi)，除去生長(zhǎng)石墨烯過程中金屬催化劑一定的揮發(fā)量，生長(zhǎng)結(jié)束后所剩金屬催化劑較少，可以直接作為石墨烯的摻雜劑，在生長(zhǎng)的過程中直接對(duì)石墨烯進(jìn)行原位摻雜，提高了石墨烯的質(zhì)量。本發(fā)明所用襯底為絕緣材料，故省去了將石墨烯轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底的過程，因而避免了轉(zhuǎn)移過程中有機(jī)膠殘留以及金屬基底溶解對(duì)石墨烯造成的污染，能夠保證將高質(zhì)量的石墨烯直接應(yīng)用，提高了石墨烯的利用效率，節(jié)省了成本。
[0033]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，對(duì)絕緣襯底進(jìn)行預(yù)處理； 步驟二，在預(yù)處理后的絕緣襯底上鍍一層金屬催化劑，催化劑層的厚度在5nm以內(nèi)； 步驟三，將鍍有金屬催化劑的絕緣襯底放入CVD爐的腔體內(nèi)，通入載氣，進(jìn)行升溫至生長(zhǎng)溫度； 步驟四，向CVD腔體內(nèi)通入碳源氣體，碳源氣體在金屬表面成核，并生成石墨烯結(jié)構(gòu)； 步驟五，生長(zhǎng)完成后，停止加溫，停止通入碳源氣體，繼續(xù)通入載氣，待腔體降至室溫，取出生長(zhǎng)了石墨烯薄膜的絕緣襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟一中的所述絕緣襯底為硅片或帶有二氧化硅層的硅片或帶有氮化硅涂層的硅片或石英片或藍(lán)寶石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述清洗為在丙酮、異丙醇、乙醇、去離子水中的一種或多種中進(jìn)行超聲波清洗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟一中預(yù)處理為用純度為99.999%的氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵蘸嫦浼訜嶂?0-80 °C，烘烤 15-30min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟二中采用磁控濺射法或電子束蒸發(fā)法或分子束外延法在所述絕緣襯底上鍍一層金屬催化劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述金屬催化劑為鐵、鎳、鈷、釕、銅的任意一種或至少兩種的合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟二中的所述金屬催化劑的厚度為l_5nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟三中的生長(zhǎng)溫度為800-1200°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟四中的所述碳源氣體為甲烷或乙烯或乙炔。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在絕緣襯底上原位生長(zhǎng)摻雜石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟：步驟一，對(duì)絕緣襯底進(jìn)行預(yù)處理；步驟二，在預(yù)處理后的絕緣襯底上鍍一層金屬催化劑；步驟三，將鍍有金屬催化劑的絕緣襯底放入CVD爐的腔體內(nèi)，通入載氣，進(jìn)行升溫至生長(zhǎng)溫度；步驟四，向CVD腔體內(nèi)通入碳源氣體，碳源氣體在金屬表面成核，并生成石墨烯結(jié)構(gòu)；步驟五，生長(zhǎng)完成后，停止加溫，停止通入碳源氣體，繼續(xù)通入載氣，待腔體降至室溫，取出生長(zhǎng)了石墨烯薄膜的絕緣襯底。本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，在絕緣基底上鍍一層金屬催化劑后所制備的石墨烯直接生長(zhǎng)在絕緣襯底上，避免了轉(zhuǎn)移過程對(duì)石墨烯的損傷，可直接用于器件制備和透明電極等應(yīng)用。
【IPC分類】C23C16-26, C23C16-44
【公開號(hào)】CN104532206
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410767130
【發(fā)明人】張永娜, 李占成, 高翾, 黃德萍, 朱鵬, 姜浩, 史浩飛
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院, 重慶墨希科技有限公司
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月12日