[发明专利]增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯的制备领域，特别涉及一种增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化的碳原子组成的六角蜂窝状二维无机晶体材料【A.K.Geim,K.S.Novoselov,Nature Materials,2007,6,183-191】，可视为各维碳材料（零维巴基球、一维碳纳米管、三维石墨）的基本结构单元。在石墨烯中发现的量子霍尔效应、弱局域化效应等新奇的物理性质为基础物理研究提供了模型，并且其高电子迁移率、高透光率、高机械强度、抗氧化、易修饰等优良性能，使石墨烯在纳米电子学，自旋电子学以及环保等领域具有广阔的应用前景。

目前在高定向热解石墨机械剥离法、SiC热蒸发法、氧化石墨烯还原法、碳纳米管切割法等众多制备方法中，化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）法在制备大面积高质量连续石墨烯方面最具优势。目前使用化学气相沉积法已经在钴（Co）【A.Varykhalov and O.Rader,Phys.Rev.B,2009,80,035437】，镍（Ni）【K.S.Kim,Y.Zhao,H.Jang,S.Y.Lee,J.M.Kim,K.S.Kim,J.H.Ahn,P.Kim,J.Y.Choi and B.H.Hong,Nature,2009,457,706】，铜（Cu）【X.Li,W.Cai,J.An,S.Kim,J.Nah,D.Yang,R.Piner,A.Velamakanni,I.Jung,E.Tutuc,S.K.Banerjee,L.Colombo and R.S.Ruoff,Science,2009,324,1312】，钌（Ru）【P.W.Sutter,J.I.Flege and E.A.Sutter,Nat.Mater.,2008,7,406】，钯（Pd）【S.Y.Kwon,C.V.Ciobanu,V.Petrova,V.B.Shenoy,J.Bareno,V.Gambin,I.Petrov and S.Kodambaka,Nano Lett.,2009,9,3985】，依（Ir）【J.Coraux,A.T.N’Diaye,C.Busse and T.Michely,Nano Lett.,2008,8,565】等过渡金属上制备出了石墨烯薄膜。但是，目前CVD方法制备的石墨烯为多晶结构，因为单晶晶粒尺寸太小而使目前制备的石墨烯样品的性质与理论值相差很大【Huang PY,Ruiz-Vargas CS,Whitney WS,Levendorf MP,Kevek JW,Garg S.Nature.2011;469:389】，因此增大多晶石墨烯单晶晶粒尺寸是最提高石墨烯性质的最有效的方法。目前已报道的增大多晶石墨烯单晶晶粒尺寸的方法主要是通过延长退火时间【Wang H,Wang G,Bao P,Yang S,Zhu W,Xie X,et al.J.Am.Chem.Soc.,2012,134】等方法，而通过使用复合腔体增大多晶石墨烯单晶晶畴尺寸的报道还没有看到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种增大化学气相沉积CVD石墨烯单晶晶畴尺寸的方法及其装置，该方法简单易行、重复性好，在同等生长条件下可使石墨烯单晶晶畴的尺寸增大数倍，甚至10倍以上，该装置简单易操作。

本发明的增大化学气相沉积CVD石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，包括：

将衬底置入独立腔室中，加热使衬底温度达到500-1600℃；然后在惰性气体保护下通入含碳气体，在0.1-760torr下反应，反应结束后降至室温，即可。

所述的衬底为金属衬底或非金属衬底；所述的金属衬底为铜、镍、钴、钼、钌、金中一种或几种的合金；所述的非金属衬底为硅、二氧化硅、蓝宝石、玻璃中的一种。

所述的衬底事先依次用四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水超声清洗后烘干。

所述的含碳气体为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷、酞菁中的一种或几种。

上述方法所采用的化学气相沉积装置，包括：石英管、加热炉体，衬底托，进气气路，排气气路；所述的加热炉体位于石英管外部，可上下移动的衬底托位于石英管的腔体中，进气气路和排气气路分别位于石英管的上下两端，所述的衬底托上放置有独立腔室。

所述的独立腔室为单独一个腔体或多个腔体组合成的多层复合腔体。

所述的多层复合腔体由多个腔体并排组成，或由多个腔体穿插形成，或由多个腔体嵌套组成。