[发明专利]一种制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机化合物技术领域，尤其涉及一种以CBr₄为源材料利用分子束外延(MBE)或者化学气相沉淀(CVD)等方法直接制备石墨烯的方法。

背景技术

碳元素(C)可以说是自然界最为神奇的元素，它是构成地球上生命体不可或缺的元素，所有的生物体都含有大量的碳元素。碳元素也可以构成许多性质奇特的材料，例如，它不仅可以构成已知最为坚硬的金刚石，也能够形成较软的石墨。在纳米世界，碳元素除了可以形成神奇碳纳米管(Carbon Nanotube)、富勒烯(Fullerene)外，2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)在实验室中得到仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯(Graphene)。因研究二维材料石墨烯的开创性实验，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是迄今为止导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。由于石墨烯具有超薄、强度超大的特性，使其可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，其在微电子领域也具有巨大的应用潜力。而在未来，石墨烯有望取代传统硅材料，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积、透明等特点，可适用于作为电极材料。石墨烯也可以作为超薄、超强、透明的柔性导体，来替代脆性、昂贵的氧化铟锡，在触摸屏、液晶显示和太阳能电池等方面获得广泛应用。总之，石墨烯的应用范围广阔，它的出现有望在现代电子科技领域引发新一轮革命。

然而石墨烯物理性能和潜在应用的实现离不开高质量、低成本、大规模石墨烯的制备。当前制备石墨烯的主要方法有：微机械剥离法、化学气相沉积法、SiC表面石墨化法、有机分子分散法、离子插层法、溶剂热法、氧化还原法、C掺杂析出法等。微机械剥离法是采用离子束对物质表面刻蚀，并通过机械力对物质表面进行剥离制备石墨烯。但由于工艺复杂，制备的石墨烯产率低，不能满足工业化需求，在一定程度上限制了规模化生产。化学气相沉积法是利用化学反应在基底表面形成石墨烯薄膜的薄膜生长方法，已有通过CH₄分解、还原CO生成气态碳原子，产物沉积在基底表面，生成二维石墨烯薄膜。由于CH₄分解温度很高，这种方法只能适用于耐高温的少数材料基底。SiC表面石墨化法是在超高真空下将4H-SiC或6H-SiC加热到1300℃以上，SiC晶体表面的Si原子被蒸发后，碳原子发生重构，就可以在单晶Si面上生成二维石墨烯薄膜。这种方法制备出来的石墨烯薄膜厚度仅为1～2个碳原子层，具有高的载流子迁移率。但利用这种方法制备出来的石墨烯中并没有观测到量子霍尔效应，并且石墨烯表面的电子性质受SiC衬底的影响很大，进一步研究仍在进行中。有机分子分散法将石墨在有机溶剂中超声分散得到石墨烯的一种方法，这种方法得到的石墨烯缺陷少，但浓度不高。离子插层法首先制备石墨层间化合物，然后在有机溶剂中分散制备石墨烯，这种方法制备石墨烯分散度较低。溶剂热法是将反应物加入溶剂，利用溶剂在高于临界温度和临界压力下，能够溶解绝大多数物质的性质，可以是常规条件下不能发生的反应在高压下能够以较低的温度进行，或加速进行。这种方法发展时间短，现阶段许多理论和技术问题仍不能突破，有待进一步探索。氧化还原法是将石墨氧化得到在溶液中分散的氧化石墨烯，再用还原剂还原制备石墨烯；其成本低、产率高，但强氧化剂完全氧化过的石墨难以完全还原，导致其一些物理、化学等性能，尤其是导电性能的损失。C掺杂析出法是利用MBE生长C掺杂的GaAs材料，通过提高温度使GaAs分解，其中C原子析出形成石墨烯，这种方法可控性很低，生成的石墨烯质量比较低，仍然处于摸索阶段。这就要求提高现有制备工艺的水平，目前石墨烯的制备仍然是这一领域的技术难题。

我们发明的利用CBr₄作为源材料直接制备石墨烯的便捷方法，可以在许多材料衬底上制备出大面积连续的石墨烯薄膜材料，而且现有的半导体加工技术也可以对石墨烯薄膜材料进行剪裁修饰，使得该方法制备出的石墨烯材料在微电子和光电子领域有着巨大的应用潜力。

发明内容