[发明专利]一种采用激光辐照碳化硅直接制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域。

背景技术

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，由单层sp²杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状的二维平面结构，具有超强的导电性能、强度以及透光性能。电子在穿过石墨烯的六角晶格时，完全失去了其有效质量，电子能谱符合狄拉克方程而不是薛定谔方程，在常温下的传输速度可达光速的1/300，远高于电子在一般导体中的传输速度。石墨烯中的电子波在仅有一个原子厚的薄层中传播，这就使它们容易为各种扫描探针所探测到，也使它们对于其他材料的接近十分敏感。石墨烯中的量子效应非常活跃，并且在室温下仍然存在。2004年英国曼彻斯特大学Geim课题组首次剥离出单原子层石墨晶体薄膜。由于具有强度大、比表面积大、热导率高、电子迁移率高、导热性好、透光性等特点，石墨烯在微纳米器件、超高速计算机芯片、高转换效率电池、固态气敏传感器、氢储存等领域已显示出重大的应用发展潜力。

但是，石墨烯是一种低维单晶，低维晶体非常难以生长。因为生长晶体就要经历高温，而热涨落不利于宏观一维和二维晶体的稳定。当纳米尺度的二维晶体的尺寸横向增加时，三维空间用于热振动的声子密度迅速变大，在宏观尺度形成分枝，促使二维晶体演变成各种稳定的三维结构。目前，受到制备方法的限制，还无法批量生产较大面积、可直接用于器件的石墨烯，还只限于研究阶段，阻碍了该材料的应用型发展。

目前，制备石墨烯的研究方法主要有：

1、机械剥离法，用氧离子在1mm厚的高取向热解石墨表面进行离子刻蚀，将其用光刻胶粘到玻璃衬底上。焙烧后，用透明胶带反复撕揭，将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声，用单晶硅片将单层石墨烯“捞出”。最后在原子力显微镜下挑选出厚度仅有几个单原子层厚石墨烯片层。机械剥离的方法虽然可以得到结构完整的石墨烯，但由于工艺繁琐，制备效率低，尺寸很小，只能得到微米量级的石墨烯片，且难以控制。

2、氧化还原法，石墨先经化学氧化得到边缘带含氧基团的石墨氧化物，扩大石墨的层间距，再通过外力剥落得到单原子层厚度的石墨烯氧化物，进一步还原。但目前的氧化技术难于控制，后续的还原过程难于彻底，会导致所制备的石墨烯具有较大的结构缺陷，严重影响石墨烯非凡的特性。

3、化学气相沉积法，将平面基底置于高温可分解的前驱体气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯。这种方法可以获得面积较大的石墨烯，但由于基底多为金属，无法直接应用于器件的制备，且石墨烯不易从基底上剥落。

SiC是第三代半导体的代表材料，结构稳定，禁带宽度大，有极优良的物理化学性能。由于SiC是一种很好的半导体材料衬底，在真空中加热SiC是目前制备应用在电子器件的石墨烯的最好方法。采用加热分解方法是目前在SiC衬底上生长石墨烯的常见研究方法。Berger【Berger C et al 2004J.Phys.Chem.B 108 19912】、Seyller【Seyller Th et al 2006 Surf.Sci.6003906】、Aoki and Hirayama【Aoki Y and Hirayama H 2009 Appl.phys.Lett.95094103】和Starke and Riedl【Starke U and Riedl C 2009J.Phys.Condens.Matter.21 134016】

需经过SiC单晶表面的抛光以及H₂刻蚀预处理；在高真空下加热至1000℃左右去除表面氧化物；氧化物被完全去除后，样品再加热至1250-1450℃并恒温10-20min。

这种方法制备石墨烯要求超高真空(UHV)，大约10^-10Torr。加热方法有：射频(RF)加热、传导加热、电阻加热、电子束加热等。加热温度需达到1000℃以上，能耗高，对设备的真空度要求高，条件苛刻。

激光具有能量高、易操作、可控性好、以及非接触辐照加热不易引入污染等特点，本发明提出在常温常压下采用激光辐照SiC基底直接制备石墨烯的方法，充分发挥了激光辐照可控性高、加热能量大以及辐照控制方式灵活的优势。可适用激光器的波长范围较宽(紫外-可见光)，并可以通过掩膜或激光扫描路径设计获得面积可控的图形化的石墨烯层，是一种石墨烯的高可控制备方法，且实验设备及工艺流程简单，经文献和专利检索，目前有关常温常压下采用激光辐照SiC制备石墨烯的方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在常温常压下，采用激光辐照碳化硅直接制备石墨烯的方法。