[发明专利]一种单晶石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶石墨烯的制备方法。

背景技术

2004年Andre Geim课题组首次在国际上报导了电场对石墨烯的载流子浓度调制作用，论证了石墨烯场效应晶体管的可行性；2010年这篇文章的通讯作者Andre Geim和第一作者Konstatin Novoselov共同获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯中的载流子运输服从狄拉克方程，它独特的线性能带结构决定了它一系列奇特的光电性能，比如最小电导率、室温量子霍尔效应、Klein遂穿、普遍的光电导和非线性电磁响应等。石墨烯具有一系列的重要应用，比如导电墨水、太赫兹晶体管、超快光电探测器、柔性触摸屏、气体传感器、透明导电薄膜、高容量电池、太阳能电池、发光二极管等。

石墨烯器件走向应用的关键是大面积、高质量的石墨烯制备技术，对于大面积单晶石墨烯的获得，目前人们主要是通过控制CVD制备过程中的各种参数来对其进行调节，如延长生长时间，减小甲烷流量等来获得大面积单晶石墨烯，所获得的石墨烯的由于晶界的影响存在性能优化问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温大面积单晶石墨烯的制备方法。本发明的单晶石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

1）使用微机械力方法，将石墨用胶带撕裂出单晶石墨烯黏贴到面积在1cm²以上的基板上，作为单晶石墨烯籽晶层；

2）在单晶石墨烯籽晶层上镀一层厚度在20纳米到10微米的金属Ni、Cu或Cu-Ni合金层；

3）在金属Ni、Cu或Cu-Ni合金层上覆盖碳源，放入退火炉加热至200-400℃，炉内压力维持在1.01×10⁵Pa，在氩气、氮气、氦气或氖气气氛下，退火100秒～1小时，冷却至室温，然后浸入FeCl₃溶液中，腐蚀去除金属层和碳源，得到面积在1cm²以上的生长在基板上的单晶石墨烯。

本发明中所述的基板可以是Si、Si/SiO₂复合层、玻璃片、石英、蓝宝石或MgF₂。

本发明中所述的碳源可以是石墨、聚甲基丙烯酸甲脂或蔗糖。

上述的在单晶石墨烯籽晶层上镀金属Ni、Cu或Cu-Ni合金层可采用电子束蒸发、热蒸发或者磁控溅射等方法。

本发明步骤1）中所述的使用微机械力方法，将石墨用胶带撕裂出单晶石墨烯可采用下述杂志公开的方法（K. S. Novoselov, A. K. Geim et al. Electric Field Effect in Atomically Thin carbon Films, Sicence, 306, 666-669 (2004)）。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

本发明方法以单晶石墨烯为种子层，以金属作为催化剂，低温下退火使碳扩散在催化剂和基板的界面处的石墨烯边缘形成大面积单层单晶石墨烯。获得的单晶石墨烯的尺寸可达厘米量级；制备工艺简单，由于制备过程温度低，因此也适用于各种柔性基板，可极大的拓展石墨烯的应用范围。

附图说明

图1是转移到铜网上的单晶石墨烯的局部扫描电镜图；

图2是单晶石墨烯的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面是本发明的具体实施例：

实施例1：

1）使用微机械力方法，将石墨用胶带撕裂出单晶石墨烯黏贴到面积为1cm²的Si/SiO₂基板上，作为单晶石墨烯籽晶层；

2）在单晶石墨烯籽晶层上用电子束蒸发法镀一层20nm厚的Cu-Ni合金；

3）在Cu-Ni合金层上覆盖石墨，放入退火炉加热至400℃，炉内压力维持在1.01×10⁵Pa，在氩气气氛下，退火10min，冷却至室温，然后浸入FeCl₃溶液中，腐蚀去除Cu-Ni合金和石墨，得到面积为1cm²生长在Si/SiO₂基板上的单晶石墨烯。图1是该单晶石墨烯转移到铜网上的局部扫描电镜图，图上基本观察不到晶界，表明石墨烯是单晶。

图2是单晶石墨烯的拉曼光谱图，其中2D峰与G峰的强度比值大于1, 而且G峰强度很弱，表明制备的石墨烯是晶体质量良好的单层石墨烯。

实施例2：

1）使用微机械力方法，将石墨用胶带撕裂出单晶石墨烯黏贴到面积为10cm²的玻璃基板上，作为单晶石墨烯籽晶层；