一种生长大面积石墨烯的装置、方法以及由此得到的石墨烯制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种生长大面积石墨烯的装置、方法以及由此得到的石墨烯，装置包括金属衬底、卷形石英舟、固定装置和扩散炉；金属衬底的两边各设置有至少一个小孔；所述固定装置包括固定丝，所述固定丝穿过两边小孔将金属衬底固定在卷形石英舟上。本发明专利技术利用卷型石英舟来作为铜箔承载装置，将铜箔装配在卷形石英舟外表面，然后仅用固定丝固定，能最大面积的装配铜箔和沉积石墨烯，而且由于铜箔始终有卷形石英舟给予支撑，在装样、沉积、取样时都不会产生褶皱，因此不仅面积较工业化生产和实验室实验样品大很多(可以做到大于0.5m2)、层数均匀(1～3层)、方阻和透过率均匀，而且如此大面积石墨烯转样后表面光滑平整无褶皱。

【技术实现步骤摘要】
一种生长大面积石墨烯的装置、方法以及由此得到的石墨烯
本专利技术涉及一种生长大面积石墨烯的装置、方法以及由此得到的石墨烯。
技术介绍
随着2010年诺贝尔物理学奖得主的揭晓，石墨烯(Graphene)也成为大家讨论的焦点。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用普通胶带成功地从石墨中剥离出石墨烯，这种材料仅有一个碳原子厚，是目前已知的最薄的材料。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固而柔软；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序的领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破，它的问世引起了全世界的研究热潮。鉴于石墨烯具有诸多优于常规材料的性质，在理论基础研究和纳米电子学具有广阔的应用前景，因此制备大面积、高质量、低缺陷的石墨烯是一项亟待解决的首要问题。目前，石墨烯的制备方法主要有以下四种：1、微机械剥离石墨法：因为石墨晶体是片层结构，各层之间是以范德瓦尔斯力微弱的结合，因此微机械剥离石墨法主要使用微机械外力从石墨晶体表面剥离出石墨烯片层结构。该方法具有成本低，样品质量高，且片层数可控的优点，缺点是很难精确控制大小，重复性较差，产量低，效率低，难以实现石墨烯的大面积和规模化制备，且耗费时间较长，尺寸较小，即只有0.1mm左右，故而仅限于作为实验室的基础理论研究方面的应用。2、氧化石墨还原法：氧化石墨还原法是在一定的化学条件下，利用氧化反应，将环氧基、羟基、羰基和羧基等亲水性基团引入石墨结构中，得到氧化石墨，再利用还原剂还原或热处理等方法，还原氧化石墨获得石墨烯的方法。氧化石墨还原法由于其稳定性而被广泛采用。然而，氧化过程会导致大量的结构缺陷，这些缺陷即使经1100℃退火也不能完全被消除，仍有许多羟基、环氧基、羰基、羧基的残留。缺陷导致的电子结构变化使石墨烯由导体转为半导体，严重影响石墨烯的电学性能，制约了它的应用。3、在碳化硅衬底上外延生长石墨烯：该方法的核心是在对SiC衬底完成表面预处理后，利用Si具有比C更高的饱和蒸汽压的性质，在大于1100℃高温和小于10-6Pa的超高真空条件下，Si原子率先从衬底表面升华，剩余的C原子重构成石墨烯层。外延生长法制备的石墨烯表现出较高的载流子迁移率等特性，因而表现出杰出的电学性质，但由于SiC晶体表面结构较为复杂，难以获得大面积、厚度均一的石墨烯。4、金属衬底的化学气相沉积法：该方法制备石墨烯材料的机理是，在800～1200℃的高温气态条件下，气态碳氢化合物等经过具有催化活性的过渡金属表面时，在金属表面脱氢，剩余游离态的碳原子吸附在金属表面，冷却时以sp2键合形成石墨烯结构。该方法是近年来制备较大面积、高质量石墨烯比较有效的方法之一，并且可以与现有的半导体制造工艺兼容。但该种方法在目前常用的工艺下仍存在以下缺陷：(1)、生长的石墨烯面积较小，一般是2-12英寸；(2)、生产的较大面积的石墨烯样则层数不均匀，一般1～10层都有；(3)、虽然生产小面积石墨烯由于沉积比较均匀，方阻和透过率都在较高的水平。然而石墨烯样面积做的越大，由于气体和温度的差异，导致方阻和透过率表面各处差异就越大，不利于批量生产；(4)、较大面积铜箔衬底在装样和取样上都比较困难，退火后铜箔硬度会急剧下降，装配中如不能很好贴合，铜箔会发生褶皱变形，这会对之后的转片等工艺带来严重的影响，极大地影响石墨烯产品的质量。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种用于生长大面积石墨烯的装置。实现本专利技术第一个目的的技术方案是：一种生长大面积石墨烯的装置，包括金属衬底、卷形石英舟、固定装置和扩散炉；金属衬底的两边各设置有至少一个小孔；所述固定装置包括固定丝，所述固定丝穿过两边小孔将金属衬底固定在卷形石英舟上。所述固定装置还包括用于将金属衬底两端与卷形石英舟固定的绑条。所述生长大面积石墨烯的装置还包括进气管；所述进气管上均匀分布有出气孔；所述进气管为直管或者环绕卷形石英舟设置。本专利技术的第二个目的是提供一种易于实施的能生长出大面积、厚度均一、性能好的生长大面积石墨烯的方法。实现本专利技术第二个目的的技术方案是一种生长大面积石墨烯的方法，包括以下步骤：步骤一：准备金属衬底；用去离子水和纯度不小于99.7％的丙酮对铜箔表面进行全面的擦洗，并晾干；所述步骤二中的固定丝为无氧铜丝。步骤二：将金属衬底装样于卷形石英舟的外表面上；在金属衬底两边各打至少一个小孔，用固定丝穿过两边小孔将金属衬底固定在卷形石英舟上，用固定丝固定后，再在金属衬底两端绑上绑条。步骤三：将步骤二的包含金属衬底的卷形石英舟放入扩散炉内进行沉积；在此可以采用两种方式，一种是两步沉积法：a、将扩撒炉内压力抽到100pa以下，保压30分钟，确保扩散炉真空系统稳定后，向扩散炉内通氩气至常压；此过程重复两次，氩气流量为1000sccm；b、将扩散炉升温至950～1050℃，升温过程中采用氩气和氢气保护，该过程中通氩气和氢气的流量分别为500～2000sccm和500～1000sccm，达到目标温度后，关闭氩气和氢气；c、将扩散炉真空抽到1～100pa，然后向扩散炉内通入氢气和烃类气体或液体碳源，在该温度和压力下沉积10～20min；d、关闭氢气和烃类气体或液体碳源，将扩散炉真空抽到1～100pa，然后关闭抽气泵；向扩散炉内通入氢气和烃类气体或液体碳源，直到压力升高到1.1～1.5Kpa后关闭所有气体；在该温度和压力下沉积3～10min；e、沉积过程结束后，立即抽去扩散炉内反应后的残留气体，降温冷却，在氩气和氢气保护下降温，氩气流量1000sccm，氢气流量为100～200sccm。c步和d步中的氢气和烃类气体或液体碳源的纯度为99.999％；c步中烃类气体或液体碳源的流量为400～600sccm，氢气流量为20～40sccm；d步中烃类气体或液体碳源的流量为100～200sccm，氢气流量为100～200sccm。另一种是三步沉积法：a、将扩撒炉内压力抽到100pa以下，保压30分钟，确保扩散炉真空系统稳定后，向扩散炉内通氩气至常压；此过程重复两次，氩气流量为1000sccm；；b、将扩散炉升温至950～1050℃，升温过程中采用氩气和氢气保护，该过程中通氩气和氢气的流量分别为500～2000sccm和500～1000sccm，达到目标温度后，关闭氩气和氢气；c、将扩散炉真空抽到1～100pa，然后向扩散炉内通入氢气和烃类气体或液体碳源，在该温度和压力下沉积10～20min；d、将扩散炉真空抽到1～100pa，然后向扩散炉内通入氢气和烃类气体或液体碳源，在该温度和压力下沉积5～10min；e、关闭氢气和烃类气体或液体碳源，将扩散炉真空抽到1～100pa，然后关闭抽气泵；向扩散炉内通入氢气和烃类气体或液体碳源，直到压力升高到1.1～1.5Kpa后关闭所有气体；在该温度和压力下沉积3～10min；f、沉积过程结束后，立即抽去扩散炉内反应后的残留气体，在氩气和氢气保护下降温，氩气流量1000sccm，氢气流量为100～200sccm；c步和d步和e步中的氢气和烃类气体或液体碳源的纯度为99.999％；c步中烃类气体或液体碳源的流量为400～600sccm，氢气流量为20～40s本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生长大面积石墨烯的装置，其特征在于：包括金属衬底(1)、卷形石英舟(2)、固定装置和扩散炉；金属衬底(1)的两边各设置有至少一个小孔(11)；所述固定装置包括固定丝(3)，所述固定丝(3)穿过两边小孔(11)将金属衬底(1)固定在卷形石英舟(2)上。

【技术特征摘要】
1.一种生长大面积石墨烯的装置，其特征在于：包括金属衬底(1)、卷形石英舟(2)、固定装置和扩散炉；金属衬底(1)的两边各设置有至少一个小孔(11)；所述固定装置包括固定丝(3)，所述固定丝(3)穿过两边小孔(11)将金属衬底(1)固定在卷形石英舟(2)上。2.根据权利要求1所述的一种生长大面积石墨烯的装置，其特征在于：所述固定装置还包括用于将金属衬底(1)两端与卷形石英舟(2)固定的绑条(4)。3.根据权利要求2所述的一种生长大面积石墨烯的装置，其特征在于：还包括进气管；所述进气管(5)上均匀分布有出气孔；所述进气管为直管或者环绕卷形石英舟(2)设置。4.一种生长大面积石墨烯的方法，其特征在于：采用权利要求3所述的装置，包括以下步骤：步骤一：准备金属衬底(1)；步骤二：将金属衬底(1)装样于卷形石英舟(2)外表面上；在金属衬底(1)两边各打至少一个小孔(11)，用固定丝(3)穿过两边小孔(11)将金属衬底(1)固定在卷形石英舟(2)上，再在金属衬底(1)两端绑上绑条(4)；步骤三：将步骤二的包含金属衬底(1)的卷形石英舟(2)放入扩散炉内进行沉积；步骤四：冷却，取样。5.根据权利要求4所述的一种生产大面积石墨烯的方法，其特征在于所述步骤四的具体方法为：冷却后，裁断绑条(4)和固定丝(3)，拖住裁断的绑条(4)沿切线方向将生长石墨烯的金属衬底(1)转移到亚克力板上；所述步骤一中的金属衬底(1)为铜箔；对铜箔的处理方法为：用去离子水和纯度不小于99.7％的丙酮对铜箔表面进行全面的擦洗，并晾干；所述步骤二中的固定丝(3)为无氧铜丝。6.根据权利要求5所述的一种生产大面积石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤三沉积石墨烯的具体方法为：a、将扩散炉内压力抽到100pa以下，保压30分钟，确保扩散炉真空系统稳定后，向扩散炉内通氩气至常压；b、将扩散炉升温至950～1050℃；c、将扩散炉真空抽到1～100pa，然后向扩散炉内通入氢气和烃类气体或液体碳源，在该温度和压力下沉积10～20min；d、关闭氢气和烃类气体或液体碳源，将扩散炉真空抽到1～100pa，然后关闭抽气泵；向扩散炉内通入氢气和烃类气体或液体碳源，直到压力升高到1.1～1.5Kpa后关闭所有气体；在该温度和压力下沉积3～10min；e、沉积过程结束后，立即抽去扩散炉内反应后的残留气体，降温冷却。7.根据权利要求6所述的一种生长大面积石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤三的a步过程重复两次...

【专利技术属性】
技术研发人员：金虎，张旭磊，刘志成，史明亮，邓科文，张志华，
申请(专利权)人：常州二维碳素科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32