[发明专利]一种液态催化剂辅助化学气相沉积制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，具体涉及一种利用液态的金属或合金作为催化剂，通过化学气相沉积制备高质量石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是具有单层或几个原子层厚度的碳原子构成的二维蜂窝状网格结构。石墨烯面内π轨道使石墨烯具有十分优异的电子传输性能。石墨烯拥有无与伦比的高电子迁移率，电荷在石墨烯中的迁移速率可以到达前所未有的200000cm²/vs，超过硅100倍以上。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。石墨烯在透明导电薄膜、电子器件和光学器件等方面的应用强烈依赖于石墨烯薄膜的质量。在石墨烯薄膜的制备方面，化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)技术可以在常压和低真空环境下制备大面积的石墨烯薄膜，因此成为制备石墨烯薄膜的最重要技术途径。CVD制备石墨烯都需要催化剂，目前铜和镍是最主要的、也是性价比优异的催化剂。铜的表面催化作用使石墨烯在铜表面很容易形成单层石墨烯。镍的溶解析出使镍表面更容易形成多层石墨烯。目前在铜和镍上通过CVD可以制备尺寸达到32英寸的连续膜，也可以控制石墨烯的层数。但在使用铜和镍等作为催化剂时，作为催化剂的铜和镍等也是石墨烯生长的基底。铜和镍都是熔点超过一千摄氏度的金属，在完成石墨烯的生长后需要将石墨烯从金属基底转移到其他基底以便器件研究，但这一转移过程非常繁琐，容易在石墨烯上下表面引入沾污和缺陷。复杂的转移过程严重制约了石墨烯的应用，并且消耗了金属基底材料。另外，在石墨烯生长过程中，这些催化剂处于固态，目前尚无关于液体催化剂通过CVD技术制备石墨烯的报道。

寻求新的制备技术，并简化或避免转移过程是石墨烯薄膜应用迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术的不足，提出一种利用低熔点的金属或合金作为液态催化剂生长石墨烯薄膜的方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于：以液态金属或液态合金作为催化剂，以非金属绝缘材料为基底，通过气态和/或固态碳源利用化学气相沉积法，在所述催化剂表面生长出石墨烯，或者在所述催化剂表面以及所述催化剂与基底接触的界面上生长出石墨烯。

本发明所提供的上述制备方法中，所述金属或合金的熔点低于石墨烯的生长温度。所述金属或合金的选择原则是熔点低于500℃且沸点高于1000℃。

所述石墨烯的生长温度为500-1500℃，优选为900-1200℃，最优选为1000-1100℃。

优选的，所述金属包括但不限于镓、锡、铟等；所述合金包括但不限于镓-铜合金、镓-镍合金、铟-铜合金、铟-镍合金、锡-铜合金、锡-镍合金和铜-银-锡合金等。

优选的，所述非金属绝缘材料基底包括但不限于氧化铝、石英、碳化硅、氮化镓等。基底选择的原则是使所选用的催化剂在石墨烯制备温度不发生反应。

优选的，所述气态碳源选自甲烷、乙炔；所述固态碳源选自碳纳米管、聚苯乙烯、萘、蒽、菲、芘、苝和六苯并苯等。

特别的，本发明所使用的基底材料不需要进行机械、化学或电化学抛光处理。

优选的，所述化学气相沉积法包括如下步骤：

1)将所述催化剂和基底加热到石墨烯的生长温度，使所述催化剂在基底表面形成液滴或铺展；

2)通入载气并向所述催化剂表面通入碳源，使碳原子在催化剂的作用下在液滴表面或铺展后的液体表面生成石墨烯膜；或者使碳原子在催化剂的作用下在液滴表面或铺展后的液体表面形成石墨烯膜，以及使碳原子在催化剂的作用下通过表面扩散在基底和催化剂接触的界面上形成石墨烯膜；

3)收集石墨烯。

较佳的，步骤2)中，所述载气为氩气，其流量为200～500sccm。

较佳的，步骤2)中，还通入氢气用于调节石墨烯的质量和层数，氢气的流量为1～30sccm，优选为2～20sccm，最优选为2～5sccm。

较佳的，步骤2)中，石墨烯的生长时间为10秒钟～60分钟，优选为1～10分钟，最优选为3～5分钟。

步骤2)中，当所述碳源为气态碳源时，直接向所述催化剂表面通入气态碳源；当所述碳源为固态碳源时，加热固态碳源使其分解气化并在载气的带动下使其流经催化剂的表面，通过固态碳源的加热温度控制碳源流量；所述碳源的流量为0.5sccm～20sccm，优选为1sccm～10sccm，最优选为2sccm～5sccm。