[发明专利]一种制备单层石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于二维薄膜材料制备技术领域，涉及一种制备单层石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子按照sp²成键形成的二维单原子层材料。石墨烯具有很多优良的性质，比如它有很高的电子迁移率、室温下表现出长程弹道输运性质，带隙可以调控，被认为是构筑新一代电子器件材料的有力竞争者。石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景，有望广泛用于触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等领域。石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景，巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感，即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。正是因为具有众多优异的性质，石墨烯成为凝聚态物理和材料科学领域中备受瞩目的新星，引起了学术界、工业界的广泛关注。石墨烯的发现者英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在石墨烯仅被发现6年后就获得了2010年诺贝尔物理学奖。

目前关于石墨烯制备的方法有很多，如机械法剥离高定向热解石墨(HOPG)，液相剥离石墨，化学还原石墨氧化物，单晶金属外延生长，SiC外延生长，化学气相沉积(CVD)在金属镍或铜上生长，真空下由金属基底偏析生长等。其中，机械法剥离HOPG获得石墨烯的方法过程不可控，效率低，而且获得的石墨烯通常面积较小，形状、结构也不可重复。导致由机械剥离法制备得到的石墨烯是世界最贵的材料之一，人头发截面尺寸的微小样品需要花费1000美元。目前，石墨烯制备效率较高的SiC外延生长和CVD法备受瞩目。但是前者实验条件苛刻，基底价格昂贵，制备的石墨烯难于分离，其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难；后者目前已经初步实现高效、低价地制备大面积的石墨烯，但是采用这种方法获得的石墨烯往往厚度不均匀、层数难控制，实验条件控制精度要求高。

不同层数的石墨烯具有不同的性质，比如单层石墨烯是导电性优良的半金属，双层石墨烯具有可被电场调控的带隙，而三层石墨烯的导带与价带的重叠程度可通过电场调节而改变，多层石墨烯(＞10层)则拥有和石墨相似的能带结构。如果制备的石墨烯层数分布不均匀，那么所得的石墨烯的性质会混杂不同层数石墨烯的不同特性，为下一步的应用带来不便。因此，如何有效的控制石墨烯的层数是石墨烯制备中的关键问题。

在已有的文献报道中，为了有效控制石墨烯的层数，人们尝试了不同的金属基底进行生长，在铜箔上的低压化学气相沉积法可以制备均一度达95％的单层石墨烯，然而制备条件要求苛刻，多层石墨烯的生成无法完全避免。单晶的金属基底也被用来控制石墨烯的均匀性，镍钴等金属的单晶可以生长出均匀分布的石墨烯，然而单晶金属基底价格昂贵，在石墨烯的转移过程中经历刻蚀后难以重复利用，并不是适合大规模制备与应用以及工业生产的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备单层石墨烯的方法。

本发明提供的制备单层石墨烯的方法，包括如下步骤：

1)制备合金基底；

2)在氢气和惰性气氛中，通入碳源利用化学气相沉积方法在所述步骤1)所得合金基底表面催化生长石墨烯，完成所述单层石墨烯的制备。

上述方法的所述步骤1)所述制备合金基底的方法为下述方法a或方法b，其中，所述方法a包括如下步骤：在金属基底上制备至少一层金属薄膜，得到所述合金基底；

所述方法b包括如下步骤：在非金属基底上制备至少两层金属薄膜，得到所述合金基底。

所述方法a中，所述金属薄膜的层数为一层或两层，优选一层；构成所述金属基底和金属薄膜的材料均选自镍、钴、铁、铝、金、银、铜、锌、钼、钨、钛、钒、铬、钌、铑、铂、钯和铱中的至少一种，优选镍、钴、铁、钨和钼中的至少一种；所述金属基底的厚度为1μm～1000μm，优选25μm～200μm；所述金属薄膜的厚度为5nm～1μm，优选200nm～500nm，更优选200nm；

所述方法b中，构成所述非金属基底的材料为硅片、氧化硅、玻璃、石英、碳化硅或氧化铝；所述金属薄膜的层数为两层或三层，优选两层；构成所述金属薄膜的材料选自镍、钴、铁、铝、金、银、铜、锌、钼、钨、钛、钒、铬、钌、铑、铂、钯和铱中的至少一种，优选镍、钴、铁、钨和钼中的至少一种；所述非金属基底的厚度为1μm～1000μm，优选25μm～500μm；所述每层金属薄膜的厚度为5nm～1μm，优选200nm～500nm，更优选200nm。