[发明专利]一种基于电镀铜衬底制备大面积石墨烯薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够大规模制作石墨烯薄膜的方法，更确切地说涉及一种基于电镀铜衬底制备大面积石墨烯薄膜的方法，属于石墨烯薄膜的制备领域。

背景技术

石墨烯即单层的石墨，是碳原子在一个平面上呈蜂窝结构排列的物质，曾一度被认为是纯理论的材料，因为觉得它不能稳定存在。但2004年Geim等人发现了独立存在的石墨烯后，相继有一些实验工作验证了石墨烯中的载流子是没有静质量的狄拉克费米子，从此开始了石墨烯的研究热潮。

目前，石墨烯已被证明在纳米电子器件、单电子晶体管、热电方面、导电薄膜等方面有良好的应用前景。但是，如何大规模的制备高质量大面积的石墨烯薄膜还是一个难题，目前生长石墨烯的方法主要有：机械剥离法，得到的石墨烯质量高但是面积不大，效率也很低；氧化还原法，操作简单且成本低，但是石墨烯在氧化还原过程中会导致一些物理化学性能的缺失，所得到的石墨烯面积也很小；碳化硅裂解法，可以得到大面积的石墨烯，但是石墨烯的质量受衬底影响很大，生长成本也较高，需要高温真空环境；化学气相沉积法，适合大规模制备石墨烯，但是受金属衬底的约束比较大。

目前化学气相沉积法中常用的金属衬底有Cu、Ni、Ru等等，对于Cu衬底来说，主要为硅片上的溅射铜或者铜箔两种，但是这两种Cu衬底在制备过程中都有一定的缺陷：溅射铜在高温下容易凝结成岛状颗粒，制备而得的石墨烯面积太小；铜箔在操作过程中容易发生弯曲产生皱褶，从而影响衬底的平整性。

本发明拟提出一种基于电镀铜衬底、可以与IC工艺兼容，且制备效率高的石墨烯生长方法，解决了以往石墨烯制备过程中图形化难、衬底易损、面积小等问题。

发明内容

本发明涉及一种基于电镀铜衬底制备大面积石墨烯的方法。所提供的方法首先包括一种可用于生长石墨烯的图形化电镀制作。具体地说本发明提供的基于电镀铜衬底制备大面积石墨烯的方法，包括以下两个方式：

方法A：步骤是

1.电镀铜种子层的准备：在SiO₂基底或直接在硅基底上溅射50-250nm的金属种子层，种子层的材料可以为Cu、Ni/Cu、Au、Cr/Au、TiW/Cu等；

2.种子层的图像化：根据所需电镀铜的厚度将种子层涂厚胶，吼叫的厚度为4-12μm，然后再将其光刻成后续生长石墨烯时所需的图形；

3.电镀铜：根据所需电镀铜的厚度(2-10μm)，选择不同的电镀电流(0.5-2.5A)和电镀时间(10-100min)；

4.去胶、腐蚀、划片：将步骤3中电镀好铜的SiO₂基底或硅基底去掉光刻胶，再腐蚀掉种子层，便留下生长石墨烯所需的电镀铜图形，再将其划成合适的大小作为衬底；

5.石墨烯的制备：采用常压CVD方法用石英舟装载好上述步骤4所述的衬底放入管径为60mm的石英管恒温区；在氩气气氛下常压加热到800-1000℃，氩气流量为50-500sccm(mL/min)；待管内达到目标温度时通入碳源气体甲烷和体积比为10∶1-1∶4氩气和氢气混合气体；生长3-15min后，关闭加热、甲烷与氩气，在氩气气氛下随炉冷却，氩气流量为50-500sccm。

方法B：只是省略步骤2种子层图形化，其余同方法A。

本发明的优点如下：

1.本发明可以根据所需石墨烯的图样，电镀出相应的铜衬底图样，然后直接在上面生长石墨烯，相对于成膜后的图像化方法，由本发明提供的方法更为简单方便；

2.本发明相对于在铜箔上生长石墨烯来说，这个方法不受外界力的影响，电镀铜依附在SiO₂基底或单晶硅基底上，整个过程中衬底的拿取都不会影响到电镀铜的质量，而铜箔就很容易受损坏；

3.本发明相对于在溅射铜上生长石墨烯来说，避免了溅射铜膜在高温退火过程中会凝结为岛状的问题，利用本发明方法生长的石墨烯，表面平整度高且面积较大；

4.在工艺实现中，电镀铜相对于溅射厚的铜膜来说成本低，且实现性高。

5.本发明可以直接制备图形化的石墨烯薄膜，并且衬底可与IC工艺兼容，具有方法简单、成本低，且能大规模制备的特征。

附图说明

图1(a)为实施例1电镀Cu生长完石墨烯后的光学图；(b)为实施例1生长的石墨烯的拉曼光谱图。

图2(a)为实施例2电镀Cu生长完石墨烯后的光学图；(b)为实施例2生长的石墨烯的拉曼光谱图。

图3(a)为实施例3的光刻片区及条纹区；(b)为实施例3所示图像划成相应大小的衬底示意图。

图中：

具体实施方式