[发明专利]一种在铁基衬底上制备大面积高质量石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在铁基衬底上制备大面积高质量石墨烯的方法。

背景技术

自从2004年曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov用胶带法成功地剥离出石墨烯以来，它优越的机械性能及电学性能已经引起了众多科学家的注意。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp²杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性能。石墨烯是由碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度为一个或者少数个原子层，仅为头发的二十万分之一。同时它又是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管及三维石墨或金刚石)的基本单元。研究显示石墨烯拥有非常优良的性能和广阔的应用前景，它可以用于制备室温弹道场效应晶体管，单电子器件，太阳能电池及基于石墨烯的集成电路等。此外，它还可以应用于计算机芯片材料、储氢材料、场发射材料及超灵敏传感器等领域！

目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥离、外延生长、石墨氧化法和化学气相沉积法等。其中，化学气相沉积法是半导体工业中最为常用的沉积技术，其原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应，生成一种新的材料沉积在衬底表面。由于有着广泛的应用，同时生产工艺十分完善，因此，该方法被视为目前最有前途的大规模制备石墨烯的方法。到目前为止，利用化学气相沉积方法已经在Ni(Alfonso，R.；Xiaoting，J.；John，H.；Daniel，N，；Hyungbin，S.；etc.Nano let 2009，9，30)，Cu(Xuesong，L.；Weiwei C.；Seyoung，K.；Junghyo，N.；Luigi，C.；Rodney，R.；etc.Science 2009，324，1312)，Co(Vaari，J.；Lahtinen，J.；Hautojarvi，P.；etc.Catal.Lett.1997，44，43)，Pt(Ueta，H.；Saida，M.；Nakai，C.；Yamada，Y.；Sasaki，M.；Yamamoto，S.Surf.Sci.2004，560，183)，Ir(Coraux，J.；Ndiaye，A.T.；Busse，C.；Michely，T.Nano Lett.2008，8，565)，Ru(Marchini，S.；Gunther，S.；Wintterlin，J.Phys.Rev.B Condens.Matter 2007，76，075429)等金属上制备了石墨烯。但是至今在铁上大面积高质量的制备石墨烯的方法仍未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种在铁基衬底上制备大面积高质量石墨烯的方法。

本发明所提供的制备石墨烯的方法是采用化学气相沉积法进行制备的，根据制备过程中所采用的碳源不同，分为下述两种情况：

1)将铁催化剂放入无氧的反应器中，使催化剂的温度达到750～1000℃，然后向所述反应器中通入气体碳源进行反应，得到石墨烯；所述气体碳源为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷和酞箐中的一种或其任意组合。

2)将固体碳源涂覆于铁催化剂表面或置于铁催化剂上，然后放入无氧的反应器中，在750～1000℃条件下进行反应，得到石墨烯；所述固体碳源为富勒烯、蔗糖和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种或其任意组合。

上述两种方法中，所述铁催化剂可为单质铁、铁合金或含铁化合物。

所述单质铁可为铁箔、铁粉、铁块等所有单质铁中的一种或其任意组合；所述铁合金可为钢、硅铁、锰铁、铬铁、钨铁、钼铁等所有含有铁元素的合金中的一种或其任意组合；所述铁化合物可以为氧化铁、氧化亚铁、氢氧化铁、氢氧化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁等所有含铁元素的化合物中的一种或者其任意组合。

当铁催化剂以片状、块状、箔状形式存在时，如铁箔、铁块、铁合金箔等，可直接放入化学气相沉积反应器中使用。

当铁催化剂以粉末状存在时，需将该催化剂置于衬底上(如石英舟)或沉积在衬底上使用。如可将铁粉或含铁化合物粉体放在衬底上得到带有铁催化剂的衬底；也可将铁或含铁化合物通过下述任一种方法沉积在衬底上得到带有铁催化剂的衬底：化学气相沉积法、物理气相沉积法、真空热蒸镀法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法和印刷法。对于某些含铁化合物(如硫酸铁、硝酸铁、氯化铁等)，也可将该化合物溶解在溶剂中，然后通过旋涂的方法或直接滴加方法使其附着在衬底上，待干燥后，得到带有铁催化剂的衬底。