[发明专利]制备大范围二维纳米材料石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维纳米材料石墨烯的制备方法，及其制备工艺，特别是一种利用碳元素注入的方式制备大范围石墨烯的方法，及其制备工艺。本发明属材料技术领域。

背景技术

石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，也有人使用“单层石墨”作为其称呼。在石墨烯中，碳原子以sp²杂化并排列成蜂窝状六角平面结构。石墨烯也是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。

石墨烯是由2004首先被英国曼彻斯特大学的科学家发现的，石墨烯的发现者于2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯中载流子的室温迁移率>20000 cm²/Vs，比目前所知的任何半导体材料都高，包括半导体行业中大规模应用的硅材料，被认为是未来纳米电子器件中硅的替代者。石墨烯在光电领域的应用也非常广泛，包括基于石墨烯的太阳能电池，光电探测器等。石墨烯在光电、生物及其他材料领域的应用都是基于大范围生长的石墨烯薄膜的基础上的。

目前制备石墨烯薄膜的方法大致有以下几种：胶带剥离法、碳化硅外延生长法、氧化石墨还原法、溶液直接剥离法、化学气相沉积法等。以上提到的方法各有其利弊: 胶带剥离法可以制备高质量的石墨烯，但是目前此方法制备的石墨烯面积小于1毫米×1毫米，只能用于基础实验研究。碳化硅上外延生长的石墨烯，虽然面积大且均匀，但是此方法获得的石墨烯质量还有待提高，且石墨烯与碳化硅衬底间有较强的相互作用，碳化硅衬底也极其昂贵。氧化石墨还原法或溶液直接剥离法，虽然可以获得较大面积的石墨烯薄膜，但是由于制备过程在石墨烯中引进了较多的缺陷，且单片石墨烯尺寸过小（约100纳米），从而导致得到的薄膜不连续，其导电性也急待提高。最近，研究者们发现在镍或铜等过渡金属表面利用化学气相沉积法可以制备大面积的石墨烯薄膜，且质量也不错。但是此方法获得的石墨烯薄膜厚度的可控性较差，镍金属上会长出厚度不均匀的多层膜，而铜上只能生长出单层薄膜和少量的双层薄膜。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是提出一种制备大范围二维纳米材料石墨烯的方法，利用碳元素注入的方式制备石墨烯薄膜，以克服现有诸多方法的弊端，如石墨烯尺

寸小、质量不高、厚度可控性较差等。

技术方案：本发明利用碳元素高速离子注入的方式提供碳源，制备大范围石墨烯薄膜: 首先，在单晶硅表面镀100-300nm镍薄膜，然后利用离子注入的方式，将碳元素注入到镍薄膜中，再经过褪火 (煺火温度在600-1000摄氏度之间，真空度10^-5至1帕, 煺火时间15分钟至1小时)，然后降至室温，使碳原子从镍膜中析出并重组生成石墨烯薄膜。最后，利用氯化铁溶液腐蚀镍薄膜，然后用任意衬底将此石墨烯薄膜从液体表面转移出，这样大范围的石墨烯薄膜就制作完成，大小可达数厘米。

该制备工艺流程及控制条件具体如下：

一、镍薄膜制备：采用溅射法(Sputtering)或脉冲激光沉积法(Pulsed Laser Deposition)等方法在单晶硅表面镀镍薄膜，薄膜厚度在100-300nm之间，

二、碳原子注入：利用高速离子注入的方法，将碳元素注入到镍薄膜的表面，离子注入的剂量(Dose)为5x10¹⁵-5x10¹⁶ cm^-2，能量为500-1000eV，

三、高温煺火: 在600-1000摄氏度下煺火，煺火时间为15分钟-60分钟，真空条件为10^-5Pa至1Pa，

四、镍薄膜腐蚀：利用浓度为0.25-1摩尔/升的氯化铁溶液腐蚀镍薄膜，使石墨烯薄膜从衬底分离并漂浮在溶液表面，腐蚀时间为3-24小时，

五、石墨烯薄膜转移：用任意衬底将漂浮在溶液表面的石墨烯薄膜转移出，即获得大范围的石墨烯薄膜。