[发明专利]在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：制备复合衬底：复合衬底包括位于外部的铜管，以及设置在铜管内部的绝缘衬底，绝缘衬底位于铜管的范围内，所述铜管由铜箔卷曲成管状而制成；将复合衬底放入反应器中，并向反应器中通入氩气和氢气的混合气体；对复合衬底进行加热，以使复合衬底中的铜管和绝缘衬底均达到目标温度，然后保持温度恒定30‑120分钟；继续保持温度恒定，将气体碳源通入反应器中，即可在铜催化剂的作用下，在绝缘衬底的表面得到大面积双层石墨烯薄膜。本发明利用常压化学气相沉积法在铜箔的催化作用下实现大面积双层石墨烯薄膜在绝缘衬底上的制备，本方法操作方便，简单易行。

技术领域

本发明涉及一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，属于石墨烯技术领域。

背景技术

目前，石墨烯作为一种单原子厚度的二维薄膜材料，由于其独特的狄拉克锥能带结构，展现出优异的电学、光学、力学等性能，从而在各个科学领域引起研究热潮。从最初的微机械剥离高定向热解石墨方法制备微米级石墨烯薄膜，到目前广泛采用的化学气相法在过渡金属衬底Ni或者Cu表面制备30英寸的大面积石墨烯薄膜，以及利用氧化还原法或者液相剥离法已经可以大批量制备单层、双层或者多层石墨烯。

大面积石墨烯薄膜的制备技术已经日趋成熟，但是石墨烯的应用必须转移到绝缘衬底上，转移过程中产生的杂质极大地降低了它的物理特性，限制了它在光电器件上的应用。为了能够实现石墨烯薄膜在绝缘衬底上的生长，人们采用了各种办法，例如：利用磁控溅射法在绝缘衬底上沉积一定厚度的Ni或者Cu薄膜，进行高温化学气相沉积法在Ni或者Cu薄膜表面形成石墨烯，同时在金属薄膜与绝缘层的交界面处也形成了石墨烯薄膜等。这些方法虽然能够制备大面积石墨烯薄膜，但是却严重破坏了石墨烯的晶格结构，失去了石墨烯优异的电学性质，特别是石墨烯的载流子迁移率不可避免地严重衰减，因此，需要寻找一种新的方法在绝缘体衬底上制备石墨烯薄膜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，本方法能够在温和的条件下，在绝缘衬底生成大面积石墨烯薄膜，操作方便，简单易行。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：

a)制备复合衬底：复合衬底包括位于外部的铜管，以及设置在铜管内部的绝缘衬底，绝缘衬底位于铜管的范围内，所述铜管由铜箔卷曲成管状而制成，所述铜管起到催化剂的作用；

b)将复合衬底放入反应器中，并向反应器中通入氩气和氢气的混合气体，使混合气体充满反应器；

c)对复合衬底进行加热，以使复合衬底中的铜管和绝缘衬底均达到目标温度，然后保持温度恒定30-120分钟，所述目标温度的温度范围为：1000℃～1050℃；

d)继续保持温度恒定，将气体碳源通入反应器中，即可在铜催化剂的作用下，在绝缘衬底的表面得到大面积双层石墨烯薄膜。

进一步，步骤d)中所述的气体碳源为甲烷气体和/或乙炔气体。

进一步，在步骤d)中，对于气体碳源，气体碳源与氢气、氩气体同时通入反应器中。

进一步，所述复合衬底中的铜管由铜箔卷曲成管状而制成，所述铜箔以直径为1.5～5mm的石英管为模具，沿着石英管的内壁延伸卷曲成管状。

进一步，所述复合衬底中的铜管由铜箔卷曲成管状而制成，所述反应器为石英管，所述铜箔以反应器的内壁为模具，沿着反应器的内壁延伸卷曲成管状。

采用了上述技术方案后，本发明利用常压化学气相沉积法在铜箔的催化作用下实现大面积双层石墨烯薄膜在绝缘衬底上的制备，本方法操作方便，简单易行，可用于高端电子器件和集成电路；另外，本发明制备的大面积双层石墨烯薄膜与其它方法制备的石墨烯薄膜相比具有较少的缺陷和较高的迁移率的优点。