一种高效制备叠层石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种高效制备叠层石墨烯的方法，属于石墨烯制备技术领域；具体是将SiC晶体放入密封无氧的反应室；除去杂质后通入保护气体，将反应室内的压强控制在1

【技术实现步骤摘要】
一种高效制备叠层石墨烯的方法


[0001]本专利技术属于石墨烯制备
，涉及一种高效制备叠层石墨烯的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的呈六角型蜂窝结构的单层二维碳纳米片薄膜，以石墨烯为基本单元，又可以做成零维的富勒烯，一维的碳纳米管及三维的石墨。由于其具有优异的机械性能、导电性、导热性、透光性、电子学特性和大的理论比表面积，使得它在光电探测、半导体器件、材料学、能源、生物医药、超灵敏传感器和超级电容器等领域具有巨大的研究和实用价值。
[0003]现阶段石墨烯的制备方法有多种，主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法和SiC外延生长法。
[0004]比较现有制备方法发现，机械剥离法虽然简单易操作，但由于其制备效率极低，可控性差，无法得到所需量的石墨烯，只适用于实验室小规模制备。化学气相沉法和SiC外延生长法可以得到高质量的石墨烯。其中，外延石墨烯是通过单晶SiC基体的高温热解而制得，不需要转移就可以将其直接应用于电子器件的制作；本质上，外延石墨烯的生长是经高温条件下SiC表面的Si
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C键断裂，Si原子挥发，C原子重新形核、长大的过程。有研究结果表明，大面积外延石墨烯的制备很大程度上取决于SiC的热解氛围。常规真空退火的非平衡裂解过程容易在石墨烯表面产生大量的微孔洞和原子台阶，严重破坏石墨烯片层的平整度，影响其电学特性。但在SiC热解过程中引入Ar气氛，可以制备出具有规则台阶的大面积外延石墨烯，同时，通过快速升降温的快闪退火工艺可以进一步优化外延石墨烯的形貌。由此可以看出，气体气氛有助于减缓Si
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C键断裂及Si原子挥发，对C原子的扩散和重组有利。SiC外延生长法能够在SiC衬底上制备出大尺寸的石墨烯，但缺点是仅有一层或几层石墨烯附着于SiC表面，且对SiC衬底要求很高，效率低，成本高。所以，利用SiC外延生长法无法高效的制备多层石墨烯。
[0005]而化学气相沉积法需在高温条件下通入甲烷和氢气等易爆气体，不够安全。此外，氧化还原法因其简单易行的工艺成为实验室最常用的制备石墨烯的方法，但是实验过程中需使用强氧化剂和还原剂，因此该方法制备的石墨烯质量较差且存在废液污染，这既不环保，也不安全。以上所述方法均可制得单层或多层石墨烯，但是石墨烯层之间的排布杂乱，不易制备大批量的石墨烯。

技术实现思路

[0006]本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种高效制备叠层石墨烯的方法，以高效的制备出多层石墨烯。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
[0008]一种高效制备叠层石墨烯的方法，包括以下步骤：1）将SiC晶体放入密封的反应室，对反应室进行抽真空并通入保护气体的操作，以
排出反应室内的氧气；2）将保护气体通入反应室，反应室与外界压强一致，之后加热至1000℃
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1400℃以除去杂质；3）通入流量为400sccm
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1000sccm的保护气体，将反应室内的压强控制在1
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500mbar；4）将SiC晶体加热至1500℃
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2500℃进行高温退火10分钟
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50小时；5）使反应室与外界压强一致并冷却降温，得到所述的叠层石墨烯。
[0009]优选的，所述的步骤3）中将反应室内的压强控制在3
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120mbar。
[0010]更优的，所述的步骤3）中通入流量为500sccm
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800sccm的保护气体。
[0011]优选的，所述的步骤4）中将SiC晶体加热至2100℃
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2300℃进行高温退火。
[0012]优选的，所述步骤1）是先将SiC晶体装入坩埚并将坩埚放入反应室。
[0013]更优的，所述坩埚为石墨坩埚、钨坩埚、坦坩埚、碳化坦坩埚、钼坩埚中的一种。
[0014]优选的，所述加热是采用中频感应加热方式，并通过红外光学测温计进行温度检测。
[0015]优选的，所述步骤2）中加热至1000℃
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1400℃保持1
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10小时。
[0016]优选的，所述的保护气体为氩气、氮气、氢气、氦气中的一种或任意组合。
[0017]优选的，反应室采用循环水或风冷的方式冷却。
[0018]本专利技术一种高效制备叠层石墨烯的方法，其制备原理为：SiC晶体在高真空条件下加热，导致其中的Si原子及部分C原子的脱除，在晶体表面及内部分解出石墨烯片层。图6为4H
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SiC单晶退火形成由单层石墨烯构成叠层石墨烯的原理图。在加热过程中Si原子全部脱除，部分C原子层脱除，未脱除的C原子层经过重构形成了石墨烯，由于SiC晶体中的C原子层堆叠整齐，无扭转角度，因此容易形成层与层之间相互平行且无扭转角度的叠层石墨烯。
[0019]本专利技术与SiC外延法均采用SiC的热解来制备石墨烯，然而SiC外延法制备的石墨烯是在SiC衬底表面形成的一层或者几层石墨烯，主要用于SiC基半导体器件的制备，而本专利技术是将SiC晶体完全转化为石墨烯获得叠层石墨烯，石墨烯片层之间相互平行且无扭转。为了形成这种特殊的结构，退火温度、退火时间、退火气氛和真空度是需要严格控制的工艺条件。4H
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SiC单晶中Si原子和C原子的脱除比随着温度的升高降低。SiC外延法制备石墨烯时，需要表层Si原子脱除，而C原子不脱除，因此热解过程中温度不能过高，而本专利技术制备的叠层石墨烯需要晶体中Si原子全部脱除，部分C原子层也要脱除，因此需要更高的温度。本专利技术需要快速制备石墨烯，因此需要高的真空度来提高Si原子和C原子的脱除速度，而SiC外延法制备石墨烯中，为了获得高质量的表层石墨烯，真空度不能过低。
[0020]本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：本专利技术通过直接加热SiC晶体，控制坩埚内温度即可制备得到大量叠层石墨烯，避免了采用基底生长、生长后从基底转移和使用强酸强碱等试剂刻蚀的问题，此专利技术工艺流程简洁，操作性强，并且叠层石墨烯的特殊结构拓宽了石墨烯的应用范围。
附图说明
[0021]图1为制备本专利技术所述叠层石墨烯的反应装置的结构示意图；图中，1为加热线圈，2为保温材料，3为坩埚，4为双层石英管，5为红外光学测温计，6为SiC晶体。
[0022]图2为实施例1所制备的叠层石墨烯的照片。
[0023]图3为实施例1所制备的叠层石墨烯的拉曼光谱图。
[0024]图4为叠层石墨烯的扫描电子显微镜图；其中（4a
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4c）为实施例1所制备的叠层石墨烯的扫描电子显微镜图；（4d）为实施例3所制备样品的扫描电子显微镜图；（4e）为实施例4所制备样品的扫描电子显微镜图。
[0025]图5为叠层石墨烯的透射电子显微镜图；其中5a、5b为实施例1所制备的叠层石墨烯的透射电子显微镜图；5c为实施例2所制备叠层石墨烯的透射电子显微镜图。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效制备叠层石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将SiC晶体放入密封的反应室，对反应室进行抽真空并通入保护气体的操作，以排出反应室内的氧气；2）将保护气体通入反应室，反应室与外界压强一致，之后加热至1000℃
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1400℃以除去杂质；3）通入流量为400sccm
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1000sccm的保护气体，将反应室内的压强控制在1
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500mbar；4）将SiC晶体加热至1500℃
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2500℃进行高温退火10分钟
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50小时；5）使反应室与外界压强一致并冷却降温，得到所述的叠层石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种高效制备叠层石墨烯的方法，其特征在于，所述的步骤3）中将反应室内的压强控制在3
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120mbar。3.根据权利要求2所述的一种高效制备叠层石墨烯的方法，其特征在于，所述的步骤3）中通入流量为500sccm
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800sccm的保护气体。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：田媛，刘宏伟，杨毅彪，费宏明，曹斌照，刘欣，张明达，李剑，韩淳屹，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：