[发明专利]基于镍铜复合衬底的层数可控石墨烯薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯薄膜制备领域，具体公开了一种基于镍铜复合衬底的层数可控石墨烯薄膜材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯薄膜具有重要的应用价值，是因为其具有较好的柔性，力学强度及导电特性，化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）是制备石墨烯薄膜最具性价比的技术途径。在Cu，Ni等金属金属表面可制备大面积石墨烯薄膜，并可转移到各种衬底表面，但在Cu和Ni等金属表面和很难控制石墨烯的层数，在Ni表面由于碳在Ni中的溶解度很大（700到1000℃为6.4到2.7at%），CVD易制备出多层石墨烯，但层数均匀性差。在铜表面由于碳的溶解度很低（＜0.001at%，1000℃），一般形成单层石墨烯，但工艺窗口窄，获得高质量均匀单层较难。

为了提高石墨烯的质量及层数控制能力，北京大学刘忠范教授等在专利申请号为201110096201.2发明名称为“一种制备单层石墨烯的方法”的专利中，提出一种制备单层石墨烯的方法，利用蒸镀法在金属基底表面镀另一种金属薄膜，在800-1000℃退火，利用CVD工艺过程不同金属的溶碳能力，在800-1200℃制备单层石墨烯。中科院上海硅酸盐所与中科院上海微系统所提出一种类似的多元衬底及其制备多层石墨烯的方法，专利申请号为201110266477.0，发明名称为“基于多元衬底的层数连续可调的石墨烯及其制备方法”。该发明利用磁控溅射或脉冲激光沉积法在一种不溶碳金属基底表面覆盖另一种高溶碳量的金属薄膜，在500-1100℃先恒温0-60min后再CVD生长1-60min，获得不同层数的石墨烯薄膜。

上述两个发明的技术路线相比于Cu，Ni等单一金属衬底而言具有显著技术进步，可以分别获得单层及不同层数的石墨烯薄膜。但热蒸发，磁控溅射与脉冲激光沉积等技术硬件投入及制备成本高，并且石墨烯薄膜的尺寸受制于大型设备的限制。其外，专利201110096201.2只是获得单层石墨烯薄膜，而专利201110266477.0所陈述的“通过调节不同的反应温度，碳的空间分布范围及浓度也随之改变，如在低温下碳的空间分布范围及浓度将增加，因而随着反应温度的降低，石墨烯的层数随之增加；通过控制反应温度，即可制备出层数连续可调的石墨烯薄膜”，通过反应温度控制层数的过程中，两种金属之间的互扩散、碳在金属衬底溶解、碳析出形成石墨烯是同时进行的，并且这些动态过程与CVD工艺温度关系密切，需要凭实验经验控制石墨烯层数和质量，过程比较复杂。寻求更新的制备技术，实现大面积层数可控的石墨烯薄膜制备技术依然是石墨烯薄膜应用迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种制备方法简单、能够控制石墨烯层数的基于Ni-Cu复合衬底的石墨烯薄膜的制备方法，以及通过该方法制得的大面积Ni-Cu复合衬底-石墨烯材料。本发明的制备方法通过渗碳和析碳两个独立步骤实现不同层数石墨烯薄膜的制备，使石墨烯的层数控制更加容易。

本发明首先公开了一种基于镍铜复合衬底的层数可控石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1）镍铜复合衬底的制备：在铜箔表面形成一层金属镍层，获得镍铜复合衬底；

2）渗碳：将铜镍复合衬底加热至200～300℃后，通入碳源气体和载气，保温30～240min，对镍层进行渗碳；

3）析碳：切断碳源气体的供应，将铜镍复合衬底温度升高到300～1000℃，继续通入载气，保温10～180min，获得基于镍铜复合衬底的石墨烯薄膜。

较优的，步骤1）所述的铜箔厚度为10μm-200μm。

更优的，所述铜箔的纯度为99.0%-99.9999%。

步骤1）金属镍层的制备可采用现有的金属薄膜沉积法，例如磁控溅射法或者脉冲激光沉积法等，在铜箔表面沉积获得一层镍层。

较优的，步骤1）镍铜复合衬底的制备是在铜箔表面通过电镀的方法获得一层金属镍层。

较优的，步骤1）金属镍层厚度为50nm-5μm。

较优的，步骤1）制备的镍铜复合衬底的长度为10cm～1m，宽度为10cm～1m。

本发明优选的采用电镀法制备金属镍层可以不限制铜箔的尺寸，获得的Ni-Cu复合衬底的长、宽可以达到1米，甚至更大，并且可以对整卷铜箔进行连续镀镍。

较优的，步骤2）所述碳源为低温分解碳源，其分解气化温度为300℃及以下。更优的，步骤2）所述碳源为低温分解碳源，其分解气化温度为80～300℃。

本发明所述低温分解碳源为能够低温分解的固体碳源或液体碳源。