[发明专利]在氧化物绝缘衬底上类直接生长大面积石墨烯的工艺方法

说明书

本发明公开了在氧化物绝缘衬底上类直接生长大面积石墨烯的工艺方法，属于石墨烯材料制备领域。本发明采用CVD法在不具有石墨烯生长催化作用的氧化物绝缘衬底上类直接生长石墨烯，石墨烯免转移可以直接制备器件。通过在绝缘衬底镀一层金属作为催化剂，利用CVD首先在金属表面生长石墨烯，在生长同时使金属表面形成孔洞形貌。之后旋凃PMMA，以PMMA作为石墨烯支撑层利用湿法腐蚀金属。腐蚀液会穿过PMMA和石墨烯腐蚀下层的金属。金属腐蚀干净后石墨烯和PMMA会落在衬底上，再用有机溶剂去除石墨烯表面的PMMA，最终得到在绝缘衬底上类直接生长的石墨烯薄膜样品。本发明工艺简单，可重复性高，生长出的石墨烯质量高，大面积，几乎无破损。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯制备工艺，属于石墨烯材料制备领域。

背景技术

石墨烯是一种单层碳原子组成的新材料，具有许多优异特性，如：高载流子迁移率、高杨氏模量、高透光率等。未来，石墨烯可能在电子、能源、防腐等领域发挥重要作用。目前石墨烯的制备方法主要是以下四种：机械剥离、化学气相沉积(CVD)、氧化还原、碳化硅外延。其中，CVD法制备石墨烯质量高、成本较低、适合大规模生产，是目前石墨烯最主要的制备途径。CVD法需要采用金属作为催化剂在金属基底上制备石墨烯，其中铜、镍两种金属是目前最主要的制备石墨烯所用金属。石墨烯电子器件的制备需要将金属基底表面生长的石墨烯转移到目标衬底上(如二氧化硅、蓝宝石等衬底)，大致工艺如图1所示：1、将金属基底石墨烯表面旋凃PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜；2、将旋凃好PMMA的样品放入金属腐蚀液中将金属腐蚀干净；3、用目标衬底捞取PMMA/石墨烯薄膜；4、用有机溶剂(丙酮等)去除石墨烯表面的PMMA，最终，实现石墨烯的转移。从转移步骤可以看出，石墨烯的转移十分繁琐，不适于未来石墨烯的大规模应用，并且由于石墨烯的单原子层特性，其在转移过程中极易破损。

石墨烯绝缘衬底的直接生长是近几年兴起的石墨烯制备工艺，其目的就是在绝缘衬底上直接生长制备出高质量石墨烯薄膜，来避免石墨烯的转移步骤。从图1可以看出如果能够实现石墨烯在绝缘衬底上的直接生长，那么石墨烯的器件制备只需一步就可以实现，大大节省了器件的制备流程，提高了器件的制备效率。目前，石墨烯的直接生长主要有三种途径：1、无金属催化的直接生长；2、金属辅助直接生长；3、等离子体辅助增强直接生长(AdvancedMaterials,2016,28(25):4956)，其中，方法一是严格意义上的直接生长，这种方法无视所选择衬底，可以实现大面积生长，但是生长温度普遍较高(＞1400℃)或者生长质量普遍较差，生长时间长；方法二工艺较为复杂，但是由于有金属催化，石墨烯的质量较好；方法三可以实现较低温度的直接生长(＜800℃)，但是石墨烯的质量较差，生长可控性差；目前，针对石墨烯的直接生长，尚无一种较为成熟的可用于大规模制备的生长工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种在氧化物绝缘衬底上类直接生长大面积高质量石墨烯的工艺方法，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，生长出的石墨烯质量高。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，利用一种新型的金属辅助直接生长机理来实现绝缘衬底上的石墨烯类直接生长。如图2所示，在氧化物绝缘衬底上类直接生长大面积石墨烯的工艺方法，该方法包括如下步骤：(1)首先，在衬底上镀上一层金属薄膜；(2)通过CVD法利用金属催化在金属表面生长一层石墨烯薄膜；(3)持续生长，使金属发生团聚形成孔洞，孔洞处的石墨烯薄膜会落在衬底上；(4)生长结束后，旋凃一层PMMA作为腐蚀支撑层；(5)将样品放入金属腐蚀液中，金属腐蚀液会穿过PMMA和石墨烯薄膜，腐蚀下层的金属薄膜；(6)腐蚀金属薄膜后，PMMA/石墨烯薄膜会落在绝缘的衬底上，用有机溶剂去除PMMA，石墨烯留在衬底上。最终实现绝缘衬底的类直接生长。

由于PMMA是大分子有机物，腐蚀液能够穿过PMMA，同时石墨烯薄膜也存在微小孔洞或缺陷，使得腐蚀液穿过石墨烯。这是本发明能够实现石墨烯的类直接生长的最重要的理论基础。