[发明专利]用于生产二维纳米材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过化学气相沉积(CVD)来生产二维纳米材料的方法，和可通过所述方法获得的二维纳米材料。具体地，本发明涉及用于生产石墨烯的CVD方法。

背景技术

石墨烯及其它二维纳米材料的物理化学性质，包括材料的电子结构、化学活性和机械强度强烈依赖于各个组成单晶晶畴的边缘几何形状、晶粒边界和相对结晶取向。因此，对于石墨烯作为透明导电电极或者在传感器和纳米电子装置应用中的成功实施，产生具有预定边缘几何形状和取向的石墨烯是至关重要的。尽管付出了巨大的努力，但是到目前为止通过CVD定制生产具有受控晶畴取向和限定边缘几何形状的石墨烯仍是未解决的。

已通过大气压CVD(APCVD)合成了具有限定锯齿形边缘的六边形石墨烯晶畴(参见Yu等人，Nat.Mater.10,443-449,2011；和Luo等人,ACS Nano 5,9154-9160,2011)。然而，这些晶畴在基底(基质)上随机取向，从而导致相邻晶畴的相对边缘几何形状之间的不匹配。随着单个晶畴的生长和接合，结构缺陷将不可避免地引入到膜中，这将降低大面积薄膜的性质(参见Tapaszto等人，Appl.Phys.Lett.100,053114,2012；和Banhart等人,ACS Nano 5,26-41,2011)。此外，在石墨烯网络的结晶取向和下方铜晶粒之间未鉴别到相关性。事实上，一些出版物表明在铜和石墨烯之间仅存在弱相互作用(参见Yu等人，如上；和Rasool等人，Nano Lett.11,251-256,2011)。单个铜晶粒内石墨烯晶畴缺乏排列以及生长穿过铜晶粒边界的晶畴的不变形状已导致提议在基底和石墨烯层之间不存在取向附生关系。

在本领域中，仍需要用于生产二维纳米材料，具体地石墨烯的改善方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种通过CVD来生产二维纳米材料的方法，所述方法包括在反应室中使基底与包含氢气的第一流体(第一流，第一流液，first flow)和包含用于所述材料的前体的第二流体(第二流，second flow)接触，其中所述接触是使得所述前体在所述室中反应从而在所述基底的面上形成所述材料的条件(情况)下进行的，其中所述第一流体的流速与所述第二流体的流速的比率至少为5:1。

通过进行根据本发明的方法，可以控制所得材料的结构、结晶取向、边缘几何形状和厚度中的一种或多种。甚至可以预测材料在给定基底上的生长。本文所述的方法特别适合于石墨烯(graphene)的产生并且可以允许产生高质量的单层和双层石墨烯，以及具有控制取向或边缘几何形状的石墨烯。因此，在本发明的其它方面中，提供了可通过上述方法获得的石墨烯及其它二维纳米材料以及包含这些材料的装置及其它产品。

附图说明

图1示出了多晶铜上排列的石墨烯晶畴。示出了：(a)示出晶畴形状变化和穿过铜箔的取向的低放大倍数SEM图像；和(b)，(c)分别通过光学显微法和SEM成像的铜箔。还示出了：(d)示出铜结晶取向的EBSD图的相应反极图；和(e)、(f)、(g)、(h)分别是Cu(001)、Cu(101)、Cu(103)和Cu(335)/(212)/(769)上晶畴的代表性SEM图像。

图2示出了在(a)(101)和(b)(001)取向的铜上石墨烯晶畴边缘角的分布。

图3示出：a)石墨烯晶畴的TEM图像(根据电子衍射确定长轴的锯齿形取向)；b)石墨烯晶畴的TEM图像，其中插图示出了：c)电子衍射图像；和d)整个电子衍射图像上的谱线形状。图4示出了对应于图1的90×90μm空间分辨率的拉曼光谱图。示出了：(a)Int_2D/Int_G比；(b)2D峰位置；和(C)G峰位置。还示出了(001)取向上石墨烯晶畴的高分辨率图6.5×6.5μm，其示出了：(d)2D峰位置；和(e)G峰位置。

图5示出了Cu(110)、(001)和(111)取向的侧视图和俯视图。作为阴影球示出了不同的叠放顺序，其示出了可用的吸附原子或吸附层位点。

图6示出了锯齿形和扶手椅形(椅形)边缘的无支撑(独立式)石墨烯系统的计算的松弛构造。