[发明专利]一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于功能薄膜材料技术领域，具体涉及一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子按六边形蜂窝结构排列而成的二维原子晶体。自2004年被成功地剥离以来，便因其超高的载流子迁移率、独特的量子霍尔效应等特性成为了研究热点。而如何可控制备大面积、高质量的石墨烯是将其应用于半导体工业中，并开发应用这些优异性能的的前提条件。目前制备石墨烯主要的方法有：机械剥离法、SiC热解法、氧化石墨还原法、有机合成法和化学气相沉积法。化学气相沉积法具有操作简易、成本低廉、易于大规模生产、易于调控生长参数等优势,成为了上述几种方法中发展最快、应用最广的制备方法。应用该方法，科学家们在可控制备大面积单晶石墨烯领域进行了一系列有益的探索，目前得到的最大尺寸可达到厘米级。但这些研究有一个共同之处:都是在固态金属基底上生长、所需时间长(几十个小时)。

之前，我们实验室首次创造性地提出了用液态铜基底制备石墨烯的方法(PNAS，2012,109(21),7992)。研究结果表明，将铜箔放置于金属钨基底上，当反应温度升至铜的熔点1083℃以上后，固态铜箔会熔融成液态铜，并在金属钨基底上均匀铺展成为一个平整的液面。更进一步的研究发现，在此液态铜基底上生长石墨烯具有独特的优势：液态铜基底提供了一种各向同性的表面，碳原子在基底表面上扩散速度快，生长所需时间短；消除了固体表面晶界的影响，成核均匀；无需固态基底所需的复杂表面前处理。

但是，直接在金属钨基底上制备液态铜基底存在液态铜铺展不平整的问题，且金属钨基底容易弯曲，不利于后续的石墨烯制备；再者，化学气相沉积法中，影响石墨烯形成的因素还有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液态铜基底的制备方法。该制备方法可使液态铜铺展得更为平整，利于后续大尺寸单晶石墨烯的制备。

本发明所提供的液态铜基底的制备方法包括如下步骤：将固态铜置于铜钨合金衬底上，并在氢气气氛中加热至反应釜温度达到铜的熔点(1083℃)以上，即可制备得到液态铜基底。

上述制备方法中，所述固态铜选自铜箔和/或铜粉，纯度为99.9％，优选为铜箔。

当选用铜箔时，所述铜箔的厚度为0.05毫米-0.1毫米。

所述铜箔在使用之前，还包括如下对所述铜箔处理的步骤：将所述铜箔裁剪成与所述铜钨合金衬底近似大小，依次用盐酸和去离子水超声清洗，再用干燥氮气吹干。

所述铜钨合金衬底的厚度为1毫米-2毫米，所述铜钨合金衬底中铜的质量含量为30％-50％。

所述铜钨合金衬底在使用之前，还包括如下对所述铜钨合金衬底处理的步骤：先将铜钨合金衬底用砂纸打磨，除去表面的氧化层后，用去离子水超声清洗后，再用干燥氮气吹干。

所述氢气气氛由氢气发生器产生，可按如下步骤营造：先将所述反应釜抽至10Pa以下的近似真空状态，再向所述反应釜中持续通入200sccm-800sccm的氢气直至所述反应釜内压强达到标准大气压，继续维持该流量的氢气作为载气。

上述制备方法中，所述反应釜为石英管式加热炉。

本发明的另一个目的在于提供一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法。该方法利用化学气相沉积法在液态铜基底上制备得到厘米级尺寸的单晶石墨烯。

本发明所提供的一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法，包括如下步骤：利用化学气相沉积法，在氢气和惰性气体气氛下，通入水蒸气和碳源，利用碳源在所述液态铜基底表面的催化裂解，生长形成大尺寸单晶石墨烯，然后在惰性气体气氛下降温至室温，即可得大尺寸单晶石墨烯。

上述制备大尺寸单晶石墨烯的方法中，所述氢气的流量为0.1sccm-20sccm，具体为8.5sccm-9.1sccm。

所述惰性气体为氩气和/或氦气，纯度为99.999％，流量为50sccm-800sccm。

所述碳源为碳氢化合物，具体选自如下至少一种：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和乙醇。

所述碳源需经惰性气体稀释，所述惰性气体为氩气和/或氦气，纯度为99.999％，所述碳源的体积含量为0.1％-99.99％，具体为0.1％-1％，更具体为0.2％，所述碳源的流量为0.1sccm-55sccm，具体为5sccm-8sccm，更具体为6sccm和6.2sccm，此处碳源的流量是指经惰性气体稀释后的碳源的流量。