[发明专利]大规模石墨烯片：包含它的制品、组合物、方法以及器件

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2010年8月11日提交的题为“均匀的晶片尺寸的石墨烯的生长”（Growth of Uniform Wafer-Size Graphene）的美国临时专利申请系列号61/372,589的权益，其全部内容在此引为参考。

政府支持的声明

本发明是利用由国防部高级研究项目局（Defense Advanced Research Products Agency）（DARPA）根据HR0011-09-C-0013修订2授予的政府支持做出的。美国政府在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域和石墨烯合成领域。

背景技术

由于石墨烯在电子器件和其他应用中的使用潜力，石墨烯已在研究团体中产生了极大的兴趣。

对大规模生产这种材料的渴望，已促成了对通过包括单晶SiC的超高真空退火和其他化学气相沉积法在内的方法来生长大面积的单层（或几层）石墨烯的方法的大量最新研究。然而，现有方法在石墨烯的性质方面表现出显著的变化，这对于许多应用来说是不可接受的——石墨烯的均匀厚度是关键问题，但是迄今为止的报告在控制这个参数方面仅显示出有限的成功。因此，在本技术领域中，对于大面积的单层石墨烯片以及生产这样的石墨烯片的相关方法存在着需求。

发明概述

在应对所述挑战的过程中，请求保护的发明首先提供了在平坦化的金属基材的顶上生长石墨烯片。请求保护的发明还提供了组合物，所述组合物包括含有至少约80%的单层石墨烯的石墨烯片。

附图说明

当结合附图阅读时，可进一步理解发明概述以及下面的详细描述。出于说明本发明的目的，在图中示出了本发明的示例性实施方案；然而，本发明不限于所公开的具体方法、组合物和器件。此外，附图不一定是按比例绘制的。在所述附图中：

图1示出了未抛光的Cu箔（a、b）以及生长在Cu箔上并转移到氧化的硅基材后的CVD-石墨烯膜（c、d）的光学图像——插入图是在图1d中的点A处获取的拉曼光谱；

图2示出了在电抛光之前（a）和之后（b）的Cu箔的AFM表面形态图像，用相同高度的颜色刻度尺显示——（c）示出了在（a）和（b）中指示的位置的谱线轮廓，（d）示出了电抛光装置的示意图；

图3示出了通过化学气相沉积生长在Cu箔上、然后使用PMMA方法转移至300nm氧化物硅基材上的石墨烯的拉曼光谱（详细情况参见全文）——分别地，生长在未抛光的Cu箔上的石墨烯的拉曼光谱由下部的3条曲线示出，生长在电抛光的Cu箔上的石墨烯的光谱由上部的3条曲线示出；

图4示出了（a）使用41ppm甲烷原料浓度生长在电抛光的Cu上的石墨烯的光学图像；（b）从图4（a）中所示的点A和B处获取的拉曼光谱；（c）使用41ppm甲烷原料浓度生长在电抛光的Cu上、然后转移到氧化的Si基材上的石墨烯的光学显微照片；（d）在图4（c）中的点A和B处获取的拉曼光谱；图4（d）中的插入图示出了2D带的详细情况；点A处的光谱是单个洛伦兹型（Lorentzian），表明这个区域是单层石墨烯，而点B处的2D峰是四种组分的卷积，这指示了双层石墨烯；

图5示出了在生长在（a）原样和（b）电抛光的Cu箔上的单层石墨烯上制造的典型石墨烯FET器件的电阻随栅极电压变化的曲线——插入图是石墨烯FET器件的光学显微照片；

图6示出了几种提出的非限制性的类似于自由基聚合的反应途径，用于解释在化学气相沉积期间石墨烯在不平坦的Cu金属表面上的生长，（a）烃类在加热的Cu表面上解离；（b）石墨烯的成核和生长；（c）当两个活性中心彼此反应时，反应终止；（d）最终的石墨烯具有由表面粗糙度造成的乱层（turbostatic）结构和无定形碳。

图7示出（通过照片）了已被转移到PDMS印模（stamp）上的石墨烯样品；

图8示出了（a）通过漂浮石墨（Kish graphene）的微机械剥离获得并被沉积在300nm硅晶片上的石墨烯的光学显微照片，（b）图（a）中点2处的单层和双层石墨烯区域的拉曼光谱，以及（c）来自于图8（a）中点1和3的单层石墨烯的拉曼光谱；并且

图9示出了（a）生长在Ni膜上、然后转移到300nm氧化物硅基材上的石墨烯的光学图像，以及（b）图9（a）中点A的拉曼光谱。

详细描述