[发明专利]一种合成石墨烯薄膜材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜材料制备方法，尤其涉及一种合成高质量石墨烯薄膜材料的方法。

背景技术

石墨烯是英国曼彻斯特大学A.K.Geim教授的研究小组于2004年采用机械剥离石墨的方法制备而发现的一种可在自然条件下存在的二维材料——单层石墨。这一材料的出现打破了物理界长期以来物理学家所认为的“由于热不稳定，自然界中不存在二维材料”的定论，同时也给科学界开辟了一片广阔的研究天地。石墨烯一时成为物理学家、化学家、材料学家等研究的热门话题。在研究过程中，科学家们发现了石墨烯一些奇特的性质，如内部电子静止质量为零、直接零带隙、量子霍尔效应、高载流子迁移率、高硬度等。这些性质使得石墨烯有着极高的研究价值和应用前景。由于内部电子静止质量为零，Graphene成为相对论等物理学理论研究的绝佳材料。美国哥伦比亚大学的研究人员通过实验证明，石墨烯是迄今为止发现的硬度最高的物质，因而未来石墨烯可能在军事、航天等领域获得应用。同时由于其所具有的一系列优异的电学性质，石墨烯被认为是硅的最佳替代材料，有望于在以后代替硅广泛地应用于信息技术中，据称美国麻省理工学院的研究人员已用石墨烯制成了主频1000GHz的CPU，而IBM的研究人员也正在致力于解决“Graphene-CPU”中散热、信号干扰等技术难题，以在将来制作运算速度大幅度提升的计算机。除上述之外，Graphene还预计会在太阳能电池、储氢等技术中获得一定的应用。

一直以来石墨烯的制备技术限制着石墨烯研究和应用的发展。目前除了原始的机械剥离石墨法制备石墨烯外，还有化学法，SiC外延生长法，化学气相沉积法等。其中化学气相沉积法是09年刚刚发现的一种可以制备大尺寸石墨烯的方法(尺寸超过1cm)，相比其他方法，这种方法所制的石墨烯薄膜尺寸更大，洁净度和电性能也较好。化学气相沉积法所采用的基底有镍，铜等。具体可以参考文献：Nature Nanotechnology 4，25-29(2009)；Nano Letters，Vol.9，No.1，30-35(2009)；Nat.Mater.6，183(2007)等。以上方法均可以制备得到石墨烯薄膜材料，但是反应条件要求都比较苛刻，尤其是对真空度及降温速率的苛刻要求，使得生产石墨烯薄膜过程非常困难实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种合成石墨烯薄膜材料的方法。

为了能达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种合成石墨烯薄膜材料的方法，包括以下步骤：

1、通过化学气相沉积的方法，采用氢气加甲烷的混合气氛，在铜基底上生长石墨烯薄膜；

2、将生长了石墨烯薄膜的铜基底平放在表面被氧化了硅基底上，放入硝酸铁溶液中，将铜基底溶掉，此时石墨烯薄膜将沉在硅基底上；

3、将溶液稀释，再将沉有石墨烯的硅基底从溶液中取出用真空干燥箱烘干；

4、将沉有石墨烯的硅基底超声清洗后，放入通氩气保护的退货炉中退火，然后随炉冷却至室温后将样品取出即可制得高质量的石墨烯薄膜样品。

在第1步所述的化学气相沉积方法中，铜基底事先需用醋酸在35℃恒温下浸泡10min。化学气相沉积反应过程为，先将反应管式炉用真空泵抽至低于10Pa，然后通入氢气，流量为30sccm-50sccm，带管内气压稳定后时，由室温开始升温，升温速率约为10℃/min，升至120℃后保温10min，继续采用相同的升温速率升至1000℃，开始通甲烷，流量为100sccm，稳定气压。恒温30min以上，停止加热，使炉体自然降温，待降至700℃时将加热炉箱体打开，快速降至室温。

在第2步所述的硝酸铁溶液浓度为不高于0.05g/ml。在第(3)步所述的烘干温度不低于150℃。在第(4)步所述的超声频率不高于40Hz，退火温度约为300～400℃，退火时间不少于24h。

本发明具有的有益效果是：

1)制备方法简单，成本非常低，可以达到大量制备，产率高达95％。

2)该制备方案不需使用像化学方法里所使用的剧毒试剂，环保安全。

3)我们随机从制得的石墨烯薄膜上取了10个点测拉曼光谱，所得光谱图上1350cm^-1处峰强度都较小，说明所制的样品内部缺陷较少。同时2680cm^-1峰值与1580cm^-1峰值强度之比均约为1，且2680cm^-1峰值对称性良好，半峰宽约为35cm^-1，表明所制得的样品层数较少且表面厚度均匀。