[发明专利]一种绝缘衬底图形化直接生长石墨烯的工艺方法

说明书

一种绝缘衬底图形化直接生长石墨烯的工艺方法，属于石墨烯材料制备领域。绝缘衬底直接生长石墨烯和在此基础上进行的石墨烯图形化生长。通过在绝缘衬底上首先镀上一层铜作为催化剂，然后在铜的催化下石墨烯会生长在镀铜的表面，再保持高温退火使铜挥发，铜挥发后，石墨烯会落在绝缘衬底表面，达到绝缘衬底直接生长石墨烯的目的。之后，在直接生长的基础上，通过光刻工艺使镀的铜具有一定的图形，与之相对应的，在铜上生长出的石墨烯也具有了相同的图形，达到绝缘衬底图形化直接生长石墨烯的目的。本发明通过直接生长的工艺，避免了石墨烯转移工艺中石墨烯的损坏，成本较低，适合大规模批量生产石墨烯。

技术领域

本发明涉及一种新型石墨烯制备工艺，属于石墨烯材料制备领域。

背景技术

石墨烯作为一种新材料，因此具有许多独特的性质，如：高载流子迁移率、高杨氏模量、高透光率等，受到科学家们的青睐。目前，其主要的制备方法分为以下几类：机械剥离法、化学气相沉积法(CVD)、氧化还原法、碳化硅外延法。其中，机械剥离虽然制备出的石墨烯质量较高，但是工艺繁琐，效率低下，石墨烯层数不可控，不适合批量生产；氧化还原法虽然产量高，但是石墨烯质量较差，制备出的石墨烯层数较多；碳化硅外延虽然制备出的石墨烯质量高，但是成本昂贵。化学相沉积法能够制备出高质量的单层石墨烯，同时，也适合大规模批量生产，成本也较低，因而被认为是未来石墨烯制备产业的主要发展方向。目前，市场上所销售的单层石墨烯薄膜也几乎为CVD法制备。CVD法制备石墨烯需要有金属作为催化剂催化含碳气源分解成碳原子，然后碳原子重新排布形成石墨烯，目前常用铜或镍作为催化剂，一般采用甲烷作为碳源，在铜箔或镍箔表面生长上石墨烯，如图1所示，从上到下依次为：石墨烯1、铜箔2。其中，铜催化生长石墨烯，因其自限制效应的机理，生长出的石墨烯单层率高，质量好，是目前石墨烯薄膜生长主要使用的金属。但是目前铜箔催化制备石墨烯薄膜的应用仍存在以下一些问题：

1)铜箔制备的石墨烯在应用制备器件的过程中都需要经过转移，即将生长在铜箔上的石墨烯转移到其他衬底上。因而，在转移过程中不可避免的会对石墨烯造成损伤。石墨烯转移之后会出现破损，褶皱等情况，难以大面积使用。

2)转移的过程繁琐，效率低下，费时费力，不适合未来石墨烯的大规模生产应用。

3)石墨烯对于不同衬底的粘附性不同，对于同石墨烯粘附性不强的衬底，石墨烯转移到其上之后极易脱落。

4)在转移完成之后，后续的石墨烯器件工艺一般都需要经过光刻，而石墨烯是一种极为敏感的材料，吸附空气中的水蒸气都可以使石墨烯的费米能级发生改变。光刻胶是一种结构复杂的有机物，光刻胶在石墨烯上的残留对石墨烯的电学性能影响极大。

目前，针对以上问题，尚无行之有效的解决方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝缘衬底图形化直接生长石墨烯的工艺方法，能够同时解决石墨烯转移破损、与衬底粘附性差、光刻过程中光刻胶对石墨烯掺杂等问题。同时，本发明工艺简单，适合大规模生产石墨烯。

为实现上述目的，本发明转换思想，通过直接生长工艺将石墨烯直接生长在目标衬底上，这样就无需对石墨烯进行转移，同时，直接生长在衬底上的石墨烯与衬底的粘附性会非常好。石墨烯绝缘衬底直接生长机理是：1)首先，在绝缘衬底上通过溅射或电子束蒸发镀上一层金属铜作为催化剂，如图2所示，从上到下依次为：铜薄膜2和绝缘衬底3；2)然后，通过CVD生长，在金属铜上生长一层石墨烯，如图3所示，从上到下依次为：石墨烯1、铜薄膜2和绝缘衬底3；3)最后，通过高温退火使铜蒸发掉，石墨烯1就会落在绝缘衬底上，达到直接生长的目的，如图4所示，从上到下依次为：石墨烯1和绝缘衬底3。

本发明中石墨烯的图形化直接生长是在直接生长基础之上通过光刻改变镀铜的图形，使生长出的石墨烯也具有同样的图形。这样就无需对石墨烯进行光刻，从而避免了光刻过程中光刻胶对石墨烯的掺杂。

具体工艺步骤如下：