[发明专利]一种高效消除化学气相沉积法石墨烯褶皱的方法

说明书

一种高效消除化学气相沉积法石墨烯褶皱的方法，利用在高温环境下的可控质子注入，通过精确控制温度环境和生成质子的氢气等离子体功率和时间，在铜、镍等各种金属及其合金，氧化硅、碳化硅等各种非金属基体上，直接生长出无褶皱的超平整石墨烯薄膜，或者消除带有褶皱的石墨烯上的褶皱；所述等离子体辅助化学气相沉积系统包括等离子体发生器，真空系统，加热系统；其中等离子体发生器功率5～1000W，真空系统10^‑5～10⁵Pa，系统可控加热温度范围25～1000℃；多种衬底上在生长同时注入质子，直接生长出超平整的无褶皱石墨烯，也包括通过传统方式生长的带有褶皱石墨烯的质子注入后处理，减小和消除褶皱。

技术领域:

本发明涉及石墨烯生长领域，具体为涉及一种高效消除化学气相沉积石墨烯褶皱的新方法。

背景技术:

2004年，英国的曼彻斯特大学Andre Geim研究组首次采用胶带剥离法(或微机械剥离法)获得稳定存在的石墨烯。石墨烯独特的二维晶体结构，使其具有优异的电学、热学和力学性能，被认为将在透明导电薄膜，晶体管，功能复合材料、储能、催化等领域有着广阔的应用。因此找到合适的方法制备出大面积高质量的石墨烯薄膜对实现石墨烯应用的工业化十分重要。

目前，多种制备石墨烯的方法陆续被开发出来，包括机械剥离法，化学剥离法、外延生长法和化学气相沉积(CVD)法等。综合对比现有的制备方法，CVD法由于制备工艺简单，且质量高，产量较大，得到广泛的关注，是目前可控制备高质量石墨烯的重要方式，也是实现石墨烯工业化的重要手段。目前通过CVD法制备的石墨烯甚至超过了30英寸，为实现工业化应用取得了长足的进步。CVD法基本原理是在高温下反应衬底对碳源进行催化脱氢，从而在衬底上生长出多层或者单层的石墨烯。

尽管CVD法制备出高质量的石墨烯，但和最本征石墨烯的性能相比，总是存在着一些不足。其根本原因在于CVD石墨烯总是存在着缺陷，一方面是来自生长过程中的晶界和褶皱，另一方面是转移过程引入的折叠，破损和撕裂。虽然研究者通过生长出厘米级石墨烯单晶，用于消除了晶界的影响，并且通过优化转移过程，消除折叠破损的影响，但是CVD石墨烯在性能上并没有本质的提升，一个重要原因便是由于褶皱的普遍存在。

褶皱的产生，是来源于CVD的高温生长环境。温度差和石墨烯与基体的热涨率差异导致石墨烯产生不可避免的褶皱。褶皱区域更容易引入一些空位缺陷，降低石墨烯的抗氧化性，导致石墨烯薄膜的质量分布不均匀。因此改进现有的CVD方法，并探索调控石墨烯褶皱的手段，从根本上消除褶皱，制备出高质量，大面积的超平整石墨烯薄膜，是实现石墨烯真正应用在高品质器件上的关键。

发明内容:

本发明的目的在于，提供一种高效消除石墨烯褶皱的新方法及CVD制备石墨烯，主要用于高品质无褶皱石墨烯的制备，或者对石墨烯的褶皱减小和彻底消除。本发明通过精确的实验调控减小和消除CVD石墨烯样品中的褶皱使得本征性质得以保留。本发明制备无褶石墨烯的尺寸达到晶片级，因此可作为一种理想方法用于器件组装及基础研究。本发明提供多种衬底上在生长同时注入质子，直接生长出超平整的无褶皱石墨烯，也包括通过传统方式生长的带有褶皱石墨烯的质子注入后处理，减小和消除褶皱的方法。

本发明的技术方案是：一种高效消除化学气相沉积法石墨烯褶皱的方法，其特征在于：利用在高温环境下的可控质子注入，通过精确控制温度环境和生成质子的氢气等离子体功率和时间，在铜、镍等各种金属及其合金，氧化硅、碳化硅等各种非金属基体上，直接生长出无褶皱的超平整石墨烯薄膜，或者消除带有褶皱的石墨烯上的褶皱；具体步骤如下：

(1)将生长基体放置于等离子体辅助化学气相沉积系统，调节好合适的反应气氛和压强，同时调整合适的耦合匹配功率，当基体加热至一定温度后保持开始启动等离子体进行反应；所述等离子体辅助化学气相沉积系统包括等离子体发生器，真空系统，加热系统等；其中等离子体发生器功率可调范围为5～1000W，真空系统可调压强10^-5～10⁵Pa，系统可控加热温度范围25～1000℃；