一種快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成其他維度碳質(zhì)材料的基本單元。石墨烯獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)賦予其一系列新奇的物理特性。石墨烯的價帶和導(dǎo)帶在費(fèi)米能級的六個頂點(diǎn)上相交，是一種零帶隙材料，且其能帶結(jié)構(gòu)在費(fèi)米能級附近呈線性關(guān)系，載流子的有效質(zhì)量表現(xiàn)為零，所以石墨烯具有超高的載流子迀移率(其載流子迀移率理論上最高可達(dá)到200 OOOci^V—h—1，比硅高100倍)，并且這種載流子傳輸性能受溫度影響極小。正是這種獨(dú)特的性能，使得石墨稀在基于娃基互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路的微電子技術(shù)將趨近于發(fā)展極限的今天，被公認(rèn)為的最有可能替代硅的材料之一。另外，單層石墨烯的透光性達(dá)到97.7%，加上其優(yōu)異的導(dǎo)電性，是一種非常理想的新一代透明導(dǎo)電薄膜的材料。
[0003]盡管石墨烯在很多領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用，但是目前為止仍然沒有合適的制備方法可以高效率地獲得高質(zhì)量的石墨烯，研究者們在實(shí)現(xiàn)石墨烯實(shí)際應(yīng)用的道路上依舊艱難前行?，F(xiàn)有石墨烯制備方法中，過渡金屬表面化學(xué)氣相沉積(CVD)方法由于其簡單易行、操作容易、制備出的石墨烯質(zhì)量較高、尺寸較大等特點(diǎn)而備受矚目。然而，目前CVD方法制備出的大尺寸石墨烯薄膜是由小尺寸石墨烯疇融合而成，多數(shù)為多晶石墨烯，存在大量的晶界，這極大限制了石墨烯的迀移率和導(dǎo)電性能。為了降低石墨烯薄膜晶界密度，提高石墨烯的質(zhì)量，往往通過供給極低的碳源和大量的還原氣體，來降低石墨烯的成核密度，進(jìn)而得到大單晶石墨烯構(gòu)成的石墨烯薄膜。但這種方法由于碳源供給限制，石墨烯薄膜生長速度極慢，長時間的高溫生長，帶來大量能耗和氣體消耗，使得成本極大增加。因此優(yōu)化現(xiàn)有CVD方法，尋找一種既可以降低形核密度、又可以增加生長速率的有效手段，實(shí)現(xiàn)快速制備大晶疇石墨烯，對于石墨烯的實(shí)際應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種利用氧化物襯底夾層和轉(zhuǎn)動裝置，同時在多個金屬箔片上連續(xù)生長大晶疇石墨烯薄膜的方法。
[0005]—種快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的方法，將金屬箔片置于氧化物襯底的夾層中，并在金屬箔片表面生長出高質(zhì)量大晶疇石墨烯薄膜。
[0006]優(yōu)選的是，所述金屬箔片不進(jìn)行任何表面處理，S卩，將從公開商業(yè)途徑獲得的金屬箔片直接用于本方法中而不需要做任何表面預(yù)處理。
[0007]優(yōu)選的是，所述方法包括如下步驟:
[0008](—)、將所述金屬箔片置于氧化物襯底的夾層中，放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入惰性氣體，然后開始升溫；
[0009](二)、溫度升至900?1100°C時，通入H2氣體，H2流量為2?50sccm，同時開始通入CH4氣體，CH4流量為0.5?50sccm;
[0010](三)、生長過程中控制轉(zhuǎn)動裝置緩慢轉(zhuǎn)動兩端轉(zhuǎn)輪，使多個金屬箔片同時從氧化物襯底夾層中緩慢通過，轉(zhuǎn)速(線速度，同時也是金屬箔片的移動速度)為0.2cm/min---50cm/mino
[0011 ](四)、生長結(jié)束后，冷卻至室溫，即得到大晶疇石墨烯薄膜。
[0012]優(yōu)選的是，所述方法包括如下步驟:
[0013](—)、將未進(jìn)行任何表面處理的金屬箔片置于氧化物襯底的夾層中，放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入Ar，流量為300sccm以上，然后開始升溫，升溫過程持續(xù)50?70min;
[0014](二)、溫度升至900?1100°C時，通入H2氣體，H2流量為0.2?50sccm，Ar流量保持不變，同時開始通入CH4氣體，CH4流量為0.5?50sccm;
[0015](三)、同時控制轉(zhuǎn)動裝置緩慢移動兩端轉(zhuǎn)輪，使多個金屬箔片同時從氧化物板夾層中緩慢通過，進(jìn)行持續(xù)生長過程，轉(zhuǎn)速為0.2cm/min---10cm/min；
[0016](四)、生長結(jié)束后，關(guān)閉加熱電源，停止通入CH4氣體，以AdPH2為保護(hù)氣體，自然冷卻至室溫，在轉(zhuǎn)動輪一端上的金屬箔片表面生長出高質(zhì)量大晶疇的石墨烯薄膜，即完成快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜。
[0017]優(yōu)選的是，所述氧化物為石英、熔融石英、云母、Al2O3、CaO、ZrO、MgO或Cr2O3。
[0018]優(yōu)選的是，所述金屬為銅、鉑、金或銅鎳合金。
[0019]優(yōu)選的是，步驟一中升溫過程不通H2。
[0020]優(yōu)選的是，步驟一、二和三中升溫及生長過程均在常壓條件下進(jìn)行。
[0021]優(yōu)選的是，步驟三中CH4流量為0.5?50sccm，并通入流量為0.2?50sccm的H2，CH4與H2流量比為0.01?100。
[0022]優(yōu)選的是步驟四中轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速為0.2cm/min---10cm/min。
[0023]優(yōu)選的是，步驟三中氧化物在高溫下釋放少量氧，氧鈍化金屬表面活性位點(diǎn)，減少形核密度，增大石墨烯晶疇尺寸到0.5_。
[0024]優(yōu)選的是，可連續(xù)生長5mX 0.5m的石墨稀薄膜。
[0025]優(yōu)選的是，步驟一包括如下步驟:將未進(jìn)行任何表面處理的金屬箔片(從AlfaAesar購買，厚度為25μηι或127μηι)置于氧化物板夾層中，放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入Ar，流量為300sccm(standard-state cubic centimeter per minute，標(biāo)準(zhǔn)態(tài)立方厘米/分鐘)以上，工作壓強(qiáng)為常壓(即一個大氣壓或約I XlO5Pa),然后開始升溫，升溫過程持續(xù)50?70mino
[0026]—種大晶疇石墨烯薄膜，所述大晶疇石墨烯薄膜是由上述方法所制備，所述大晶疇石墨稀薄膜單疇尺寸可到0.5mm，可連續(xù)制備5m X 0.5m的石墨稀薄膜。
[0027]本發(fā)明用金屬箔片作為催化劑及生長基底，用氧化物襯底與金屬箔片緊密接觸，然后利用常壓化學(xué)氣相沉積法，快速連續(xù)獲得大尺寸高質(zhì)量石墨烯薄膜。本發(fā)明提出的方法，解決了CVD方法制備的石墨烯薄膜中晶疇尺寸小，電學(xué)性質(zhì)大大降低等技術(shù)問題，通過非常簡單的方法，實(shí)現(xiàn)了極其快速地連續(xù)制備出高質(zhì)量大晶疇的石墨烯薄膜。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0029]1.本發(fā)明選用金屬箔片作為生長襯底，不需要對基底進(jìn)行復(fù)雜的表面預(yù)處理，大大簡化生長工序，縮短生長周期，極大地降低制備成本；
[0030]2.本發(fā)明只需將金屬箔片放在常見氧化物襯底夾層中即可快速制備出大晶疇石墨烯薄膜，不需要其它任何特殊的處理；
[0031]3.本發(fā)明提出了一種可連續(xù)制備石墨烯薄膜的設(shè)計方法。
[0032]4.本發(fā)明提供了一種快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的方法，制備出的石墨烯薄膜，缺陷少，質(zhì)量高，在微納米電子器件領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景；
[0033]5.本發(fā)明方法簡單、有效，制備周期短，有助于石墨烯的實(shí)際應(yīng)用及工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法快速連續(xù)制備大晶疇石墨烯薄膜的裝置示意圖。
[0035]圖2為實(shí)施方式一中試驗一制備的大尺寸石墨烯晶疇樣品的光學(xué)圖。
[0036]圖3為實(shí)施方式一中試驗一制備的大晶疇石墨烯薄膜的拉曼光譜圖，表明所制備樣品為尚質(zhì)量單晶石墨稀。
[0037]圖4為實(shí)施方式一中試驗一制備的一個四英寸大晶疇石墨烯薄膜樣品的光學(xué)圖。
[0038]圖5為比較例用石墨板做襯底制備的石墨烯晶疇的光學(xué)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。