[发明专利]一种制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备方法，特别是涉及一种在非金属材料上制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯材料作为零维富勒烯，一维碳纳米管和三维石墨晶体的结构基础，具有优异的机械、电学、光学和化学性能，在微电子学、复合材料、透明导电薄膜和能量储存等领域具有广泛的应用前景。自从2004年曼彻斯特大学的科斯提亚·诺沃谢夫和安德烈·盖姆小组发现石墨烯以来，许多物理、化学方法被用来制备高质量的石墨烯材料。这些方法包括机械剥离法、碳化硅外延生长法、氧化石墨还原法、超声辅助分散法、溶剂热法、化学气相沉积法、有机合成法。(K.S.Novoselov，A.K.Geim，Science 2004，306，666.；C.Berger，Z.Song，X.Li，Science 2006，312，1191.；V.C.Tung，M.J.Allen，Nat.Nanotechnol.2009，4，25.；Y.Hernandez，V.Nicolosi，Nat.Nanotechnol.2008，3，563.；K.S.Kim，Y.Zhao，Nature 2009，457，706.；X.Li，W.Cai，Science 2009，324，1312；M.Choucair，P.Thordarson，Nature Nanotech.2009，4，30.J.Cai，P.Ruffieux，Nature 2010，466，470.)机械剥离法和外延生长法主要被用于实验室内制备高质量的石墨烯样品，然而产量很低。氧化石墨还原法可以化学制备大量的石墨烯样品，在一定程度上满足工业应用要求，然而由于氧化剂的引入，破坏了石墨烯的共轭结构。尽管化学还原和高温热处理能够在一定程度上恢复石墨烯的共轭结构，然而石墨烯的固有电学性能大大降低。目前化学气相沉积方法是制备高质量大面积石墨烯的重要方法，主要由于其具有低劳动强度、低成本、可规模化生产等特点。最近，人们发现石墨烯膜可以生长在铁、钴、镍、铜等金属薄膜上，开拓了高质量石墨烯在微电子领域的应用前景。尽管生长机理有所不同，但金属被认为在石墨烯的生长过程中是必不可少的催化剂。

由于金属的存在，石墨烯不能直接被用于石墨烯器件的组装。目前借助于聚合物例如聚甲基丙烯酸酯(PMMA)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)等作为转移媒介，利用金属刻蚀剂刻蚀金属催化剂，实现了石墨烯从金属薄膜向石英基底(SiO₂)和带有二氧化硅涂层的硅片基底(SiO₂/Si)上的转移。从而进一步实现了高性能的石墨烯透明导电薄膜和场效应晶体管器件的组装。然而繁琐的转移过程易于造成聚合物杂质和金属杂质的引入，褶皱的形成以及石墨烯和转移基底之间较弱的粘附作用。尽管借助于较薄的金属催化剂实现了石墨烯在二氧化硅基底的直接组装，简化了制备工艺，然而上述转移缺点仍然很难被完全克服。因此如何实现石墨烯在二氧化硅等非金属材料上直接合成是石墨烯领域中的研究热点。这种技术将简化石墨烯制备工艺，和半导体工业相容，从而实现石墨烯在高性能透明导电薄膜、太阳能电池、触摸屏以及高性能半导体器件等领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种在非金属材料上制备石墨烯的方法。

本发明提供的制备石墨烯的方法，包括如下步骤：

1)将基底在非氧化性气氛中升温至800-1200℃，保持10-30分钟；

2)保持所述步骤1)中的温度不变，向步骤1)反应体系中充入碳源和氢气，采用化学气相沉积法在所述步骤1)处理完毕的基底上进行反应，反应完毕关闭碳源，在非氧化性气氛下冷却到室温得到所述石墨烯。

上述方法的步骤1)中，所述基底为石英片、硅片、带有二氧化硅涂层的硅片、带有氮化硅涂层的硅片或云母片，其中，所述带有二氧化硅涂层的硅片中，所述二氧化硅涂层的厚度为100-500纳米，优选300纳米；所述带有氮化硅涂层的硅片中，所述氮化硅涂层的厚度为100-500纳米，优选200纳米；所述非氧化性气氛选自氢气气氛、氮气气氛和惰性气氛中的至少一种，优选氢气气氛；所述升温步骤中，终温具体可为1000-1100℃，优选1100℃；

所述步骤2)中，所述碳源选自甲烷、乙炔、乙烯、甲醇和乙醇中的至少一种，优选甲烷；所述碳源与氢气的体积比为1∶10-100∶1；所述碳源的流量为5-300sccm，所述氢气的流量为2-200sccm；所述反应步骤中，时间为0.5-5小时，压强为10帕斯卡-1.01×10⁵帕斯卡，优选1.01×10⁵帕斯卡或3×10³-5×10³帕斯卡；