一种非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜的方法技术

本发明专利技术提供了一种非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜的方法。与现有技术相比，本发明专利技术以三氧化二铝薄膜为生长衬底，在三氧化二铝薄膜上蒸镀铜膜作为金属催化剂，利用三氧化二铝与石墨烯较高的晶格匹配度及较高的平整度，通过单晶铜薄膜厚度的调控，并结合常压CVD技术，从而使得到的石墨烯薄膜平整性、缺陷程度、完整性都有较大的提升；进一步的，通过控制碳源分压、生长时间，实现对石墨烯质量、层数的调控。控。

【技术实现步骤摘要】
一种非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜的方法


[0001]本专利技术属于石墨烯
，尤其涉及一种非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是石墨材料的基本构件，是一种二维、单原子层材料。石墨烯由6个通过sp2杂化结合的碳原子紧密堆积在正六边形的蜂窝晶格中，其原子间距离为1.42a。在石墨烯的大家庭中，也存在着其他晶体结构的同素异形体。比如，堆叠的石墨烯薄片组成石墨(3D)、卷曲形成碳纳米管(1D)、球状网构型为富勒烯(0D)。在所有sp2碳同素异形体中，石墨烯表现出最优异的性能。它不仅具有显著的理论比表面积(2630m2/g)，同时超高的载流子迁移率(2
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105cm2/Vs)使其在电学领域也得到广泛应用。除此之外，其导热系数也远超其他材料，达到3500～5000W/mK。
[0003]石墨烯是具有二维六角形蜂窝结构的碳的同素异形体。它具有优异的电学、物理和化学性能，并具有比硅(Si)更好的电荷迁移率。由于这些特性，石墨烯目前被应用于有机发光器件、晶体管、传感器和太阳能电池等器件的制备。制备石墨烯的方法多种多样，其中具有代表性的方法是化学气相沉积(CVD)，利用催化金属膜(Ni或Cu)，能够高效地制备大面积石墨烯。这种方法方法因其容易制备大面积、均匀性高的石墨烯，且制造工艺相对简单而应用最广泛。然而，在应用的过程中石墨烯必须要转移到目标衬底上。在这个过程中无法避免的引入缺陷、破损、污染，这对于石墨烯的应用是不利的，因此开发一种可以在任意衬底上生长石墨烯薄膜的方法亟待开发。
[0004]公开号为CN104045079A的中国专利在蓝宝石利用蒸镀Cu的方法，利用CVD方法在合金与蓝宝石界面处直接生长了石墨烯薄膜，但使用合金难以实现石墨烯层数的控制，且在合成过程中易引入其他金属污染；并且在该专利中利用LPCVD，虽然生长出了高质量石墨烯，但是石墨烯的层数、完整性、平整性没有得到体现，这是因为在低压条件下，作为催化剂的金属薄膜容易由于挥发产生孔洞。且用含铁、镍等高容碳量的合金难以达到对层数的控制。
[0005]在学位论文《化学气相沉积法制备单晶石墨烯及其气敏应用研究》中使用常压CVD技术在蒸发的Cu膜表面生长石墨烯薄膜，但在该文中的石墨烯生长于Cu膜的表面而不是界面，在表征、应用的过程中仍然需要转移的过程，并且该文中也并未对石墨烯的完整性和平整性没有做出说明。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜的方法，该方法可在常压气氛下、在任意衬底上实现高质量石墨烯薄膜的可控制备。
[0007]本专利技术提供了一种非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜的方法，包括：
[0008]S1)在衬底表面沉积三氧化二铝薄膜，得到沉积三氧化二铝薄膜的衬底；
[0009]S2)在所述沉积三氧化二铝薄膜的衬底表面蒸镀铜膜，得到镀铜衬底；
[0010]S3)将所述镀铜衬底在还原气氛中进行退火处理，得到复合有单晶相铜膜的衬底；
[0011]S4)在复合有单晶相铜膜的衬底的表面通过化学气相沉积生长石墨烯，然后依次除去铜膜表面的石墨烯及铜膜，得到生长有石墨烯的衬底。
[0012]优选的，所述步骤S1)中在衬底表面沉积三氧化二铝薄膜后，在保护气氛中进行高温退火，得到沉积三氧化二铝薄膜的衬底。
[0013]优选的，所述高温退火的温度为800℃～1200℃；高温退火的时间为30～120min；所述高温退火的升温速率为10～30℃/min；高温退火时保护气氛的流量为100～300sccm。
[0014]优选的，高温退火后，将衬底进行氧离子清洗，得到沉积三氧化二铝薄膜的衬底；氧离子清洗时的压力为60～100Pa；功率为30～50W；时间为10～50min。
[0015]优选的，所述三氧化二铝薄膜的厚度为50～200nm。
[0016]优选的，所述铜膜的厚度为300～500nm。
[0017]优选的，所述步骤S3)中所述还原气氛包括保护气体与氢气；所述保护气体的流量为300～800sccm；所述氢气的流量为1～10sccm；退火处理的温度为500℃～700℃；退火处理的时间为20～50min；退火处理的升温速率为10～30min/℃。
[0018]优选的，所述步骤S4)中化学气相沉积的原料气中碳源的体积浓度为0.5％～5％；原料气的流量为30～80sccm；化学气相沉积的温度为800℃～1200℃；化学气相沉积的时间为10～30min。
[0019]优选的，所述衬底选自硅片、石英与氧化硅片中的一种或多种；所述还原气氛包括保护气体与氢气；所述氢气的体积为保护气体体积的0.5％～2％。
[0020]优选的，所述步骤S1)中沉积三氧化二铝薄膜的方法为原子层沉积；所述步骤S2)中蒸镀铜膜的方法为热蒸镀；所述步骤S4)中生长石墨烯的方法为常压化学气相沉积。
[0021]本专利技术提供了一种非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜的方法，包括：S1)在衬底表面沉积三氧化二铝薄膜，得到沉积三氧化二铝薄膜的衬底；S2)在所述沉积三氧化二铝薄膜的衬底表面蒸镀铜膜，得到镀铜衬底；S3)将所述镀铜衬底在还原气氛中进行退火处理，得到复合有单晶相铜膜的衬底；S4)在复合有单晶相铜膜的衬底的表面通过化学气相沉积生长石墨烯，然后依次除去铜膜表面的石墨烯及铜膜，得到生长有石墨烯的衬底。与现有技术相比，本专利技术以三氧化二铝薄膜为生长衬底，在三氧化二铝薄膜上蒸镀铜膜作为金属催化剂，利用三氧化二铝与石墨烯较高的晶格匹配度及较高的平整度，通过单晶铜薄膜厚度的调控，并结合常压CVD技术，从而使得到的石墨烯薄膜平整性、缺陷程度、完整性都有较大的提升；进一步的，通过控制碳源分压、生长时间，实现对石墨烯质量、层数的调控。
附图说明
[0022]图1为本专利技术提供的非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜方法的流程示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例1中得到的石墨烯薄膜的扫描电子显微镜图像及原子力显微镜图像；
[0024]图3为本专利技术实施例1中600℃退火处理前后Cu膜的原子力显微镜图像；
[0025]图4为本专利技术实施例3中不同时间条件下的得到的石墨烯薄膜的拉曼图像；
[0026]图5为本专利技术实施例3中不同时间条件下得到的石墨烯薄膜的拉曼面扫图像；
[0027]图6为本专利技术实施例4中不同甲烷分压条件下得到的石墨烯薄膜的拉曼图像；
[0028]图7为本专利技术实施例5中得到的不同铜膜厚度表面及得到的石墨烯薄膜表面的光镜图像。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0030]本专利技术提供了一种非金属基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非金属基材表面直接生长石墨烯薄膜的方法，其特征在于，包括：S1)在衬底表面沉积三氧化二铝薄膜，得到沉积三氧化二铝薄膜的衬底；S2)在所述沉积三氧化二铝薄膜的衬底表面蒸镀铜膜，得到镀铜衬底；S3)将所述镀铜衬底在还原气氛中进行退火处理，得到复合有单晶相铜膜的衬底；S4)在复合有单晶相铜膜的衬底的表面通过化学气相沉积生长石墨烯，然后依次除去铜膜表面的石墨烯及铜膜，得到生长有石墨烯的衬底。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4)中生长石墨烯的方法为常压化学气相沉积。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1)中在衬底表面沉积三氧化二铝薄膜后，在保护气氛中进行高温退火，得到沉积三氧化二铝薄膜的衬底。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高温退火的温度为800℃～1200℃；高温退火的时间为30～120min；所述高温退火的升温速率为10～30℃/min；高温退火时保护气氛的流量为100～300sccm。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，高温退火后，将衬底进行氧离子清洗，得到沉积三氧化二铝薄膜的衬底；氧离子清洗时的压力为60～100Pa...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄刚，欧阳奕，汪伟，刘兆平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：