[发明专利]一种制备大面积高质量石墨烯的方法

说明书

一种制备大面积高质量石墨烯的方法，采用遮光材料在生长腔的高温区营造出一片阴影区域，用于遮挡通过热辐射到达金属衬底表面的热量，从而在金属衬底上形成局部低温区，使活性碳原子在该低温区形成局部过饱和并形成石墨烯晶核，并在阴影区逐渐长大。随着石墨烯生长前沿的扩大，在单位时间内能够吸纳更多的活性碳原子进入石墨烯晶格中，因此，在石墨烯的持续生长过程中可以适当提高前驱体的浓度，从而实现石墨烯的快速制备。采用本发明所述方法，不仅可以获得大面积高质量的石墨烯，而且形核生长过程可控，生长速度快，更有利于实现大面积高质量石墨烯的工业化制备，从而促进石墨烯应用研究的发展。

技术领域

本发明属于功能薄膜材料制备技术领域，尤其涉及一种制备大面积高质量石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化的碳原子组成的具有六边形蜂窝状结构的二维晶体材料，厚度仅为0.3335nm。自2004年Novoselv等首次采用微机械剥离法从高定向热解石墨(HOPG)上剥离得到高质量单层石墨烯以来，石墨烯便迅速成为了各个领域的研究热点。石墨烯一系列优异的物理化学性能也相继被发现，如高透光率(～97％)、高电子迁移率(200000cm²·V^-1·s^-1)、长程弹道输运特性(达亚微米级)、高热导率(5000w·m^-1·K^-1)、高比表面积(2600m²·g^-1)、高机械强度(杨氏模量～1TPa)等，使得石墨烯在透明电极、纳电子器件、、锂离子电池、超级电容、催化工程等方面都具有广阔的应用前景。然而，制备大面积、高质量石墨烯的技术瓶颈，(大面积、高质量即大晶畴、少晶界)，制约了石墨烯基电子器件的制备研究及工业化应用。

目前，采用化学气相沉积(CVD)技术在过渡金属衬底上制备石墨烯是获得大面积高质量石墨烯的最主要方法。然而，由于在过渡金属衬底上采用CVD技术制备石墨烯的过程中，石墨烯的形核生长是一个自发过程，导致石墨烯在短时间内大量形核，使得制备得到的石墨烯薄膜多为多晶薄膜，其中的石墨烯晶畴尺寸往往只有几至十几微米，导致石墨烯晶畴之间存在大量的杂质及晶界缺陷，这些缺陷会散射石墨烯薄膜中运动的电子，严重损害其导电及透光性能，从而影响石墨烯基光电器件的应用。为了减少石墨烯薄膜中的晶界及其衍生缺陷，其中的一个重要途径就是抑制石墨烯的形核密度。中国科学技术大学的王冠中课题组采用对铜衬底进行长时间高温退火改善表面微观结构的方法，实现了对石墨烯形核密度的抑制，在常压下制备得到了具有规则四边形形状、尺寸达0.4mm的单层石墨烯单晶畴。厦门大学物理与机电工程学院的研究人员通过将电化学抛光处理的铜箔衬底置入铜管来抑制高温生长过程中的铜箔衬底热蒸发的方法，使得铜箔衬底长时间暴露在高温低压环境中而不会被破坏，最终得到了具有六边形生长形状、边缘具有枝晶结构、晶畴尺寸达到～2mm的单层石墨烯单晶。同年，南京航空航天大学材料科学与技术学院的沈鸿烈课题组以聚苯乙烯为碳源，在对铜衬底进行抛光和退火处理以抑制形核密度的基础上，通过连续调节碳源和氢气的流量制备得到了单晶畴大小达到～1.2mm的六边形单层石墨烯单晶畴。尽管通过对铜衬底进行抛光和长时间退火处理，以及降低生长腔中甲烷的分压的方法有效地抑制了石墨烯的形核密度，获得了大尺寸、高质量的单层石墨烯单晶畴。然而，在整个石墨烯的形核生长过程中仍然没有摆脱石墨烯的自发形核特性，导致生长过程的不可控性增加，而且由于使用了低浓度的前驱体气氛，石墨烯的生长速率较低，使得这些有益措施很难用于大面积高质量石墨烯的规模化制备。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种制备大面积高质量石墨烯的方法，通过该方法可以在金属衬底表面快速制备出大面积高质量的单层石墨烯单晶畴或薄膜，具有操作简单，可控性强，生长效率高的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种制备大面积高质量石墨烯的方法，包括以下步骤：

1)将金属衬底置于卧式化学气相沉积系统的生长腔中，并密封生长腔；