[发明专利]生长均匀、大规模的多层石墨烯膜的方法

说明书

技术领域

本公开一般地涉及生产石墨烯的方法，并且具体涉及生长大体上均匀、大规模的多层石墨烯膜的方法。

背景技术

石墨烯为碳的一原子厚的同素异形体，并且由于它独特的带结构和它的结构上的、电学的和光学的性质引人注目。与石墨烯合并的原型设备，诸如高频场效应晶体管(FETs)、光伏系统(太阳电池)、化学感应器、超级电容等，已经说明了在未来电子学和光电子学设备中石墨烯的应用潜力。石墨烯的概述在A.K.Geim和K.S.Novoselov的题目为“The rise of graphene,”Nature Materials 6,no.3(2007):183-191的文章中阐述。

为了满足石墨烯的普遍应用和基于石墨烯的产品的预期商业要求，关键是开发用于生产大面积、晶片尺寸石墨烯样本的高生产量和高质量方法。已经提议了用于石墨烯合成的多种方法。这些方法中的一些包括高定向热解石墨(HOPG)的机械切割、单晶碳化硅(SiC)的超高真空(UHV)退火、液体悬浮液中剥离的氧化石墨层的化学还原和金属上的化学气相沉积(CVD)。

石墨的切割或剥离仅可产生大约几十至几百微米的小面积石墨烯膜并且明显不是工业可扩展的。通过剥离的氧化石墨层的化学还原获得氧化石墨烯由材料的弱电学和结构性质所限。SiC在UHV环境中高温(超过1,600℃)下的热退火可用于获得大面积、高质量的石墨烯膜。然而，石墨烯从基体至衬底的分离和转移仍然是富有挑战性的问题，因为当受到任意剪切力时石墨烯是不稳定的。此外，SiC衬底的高成本和生长必要的UHV条件显著限制该方法用于工业规模石墨烯生产。

在上述技术中，涉及过渡金属上CVD生长的技术显得最有前景，因为它允许大面积合成并容易转移石墨烯至实用衬底(诸如玻璃或SiO₂)。更重要地，CVD过程与高体积的基于CMOS的技术相容。

最近，利用低压CVD作为催化剂的铜的石墨烯形成方法已经受到注意，因为它使大面积单层合成得以实现。铜中碳的低溶解度使石墨烯的生长自限和约束于单层。然而，铜上的CVD石墨烯生长已经主要集中在真空条件下形成的单层膜上。此外，由该方法合成的石墨烯不具有高电子迁移率和电导率，这些值通常比从HOPG剥离的原始(pristine)石墨烯小大约十倍。降低的质量是由于大量缺陷的存在，诸如晶畴(domain)和晶界和皱褶。

克服低电导率限制的一种方法是利用生长高质量、堆叠的、多层石墨烯膜。已经在文献中报告了通过利用多种过渡金属包括镍、铜、钌和钴的大气压化学气相沉积(AP-CVD)生长的少层(few-layer)石墨烯。然而，通过该方法获得的膜厚度是非均匀的，并且具有低结晶度。实际上，该方法导致可从几层变化至几百层的膜厚度。此外，低结晶度通常产生高电阻，同时厚度的非均匀度产生低光透射率。因此，由常规AP-CVD制成的多层石墨烯膜在它们的技术应用中极其有限。

发明内容

本公开的一方面包括用于生长石墨烯膜的方法。该方法包括在化学气相沉积(CVD)反应室中处理具有表面的碳化催化剂(carbonizing catalyst)，所述反应室具有在1毫托至760托范围内的压力和在200℃至1,200℃范围内的温度。该方法也包括使气态碳源和弱氧化蒸气在碳化催化剂的表面上流动，其中碳源由热活化或等离子体活化分离，由此使来自碳源的碳原子在碳化催化剂的表面上沉积在晶化碳原子排列(arrangement)中。该方法进一步包括冷却碳化催化剂和晶化碳原子排列以在碳化催化剂的表面上形成多层石墨烯膜。

本公开的另一方面包括用于生长多层石墨烯膜的方法，其包括以下操作：

a)在具有适当压力和升高温度的反应室中处理具有表面的碳化催化剂；

b)使气态碳源在碳化催化剂的表面上流动，该碳源受到解离过程，例如，等离子体活化或热活化中的至少一种，由此使来自气态碳源的碳原子沉积在碳化催化剂的表面上；

c)与操作b)同时发生的是，使弱氧化蒸气在惰性气体存在下在碳化催化剂的表面上流动，以减少或防止形成无定形碳；和

d)以形成晶化碳原子排列的速率冷却碳化催化剂和在其上的碳原子，所述晶化碳原子排列限定构成多层石墨烯膜的石墨烯的堆叠层。

如本文公开的生长石墨烯的方法可生产均匀、高质量、大规模的多层石墨烯膜。该方法通常包括利用弱氧化蒸气辅助石墨烯在碳化催化剂上的化学气相沉积，以形成均匀多层的一堆石墨烯膜。如本文所公开的生长石墨烯的公开方法的方面在碳化催化剂上产生高结晶度石墨烯的大体上均匀的多层膜。