[发明专利]远程等离子体增强原子层沉积低温生长石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，涉及一种低温生长石墨烯的制备方法，尤其是一种远程等离子体增强原子层沉积（PEALD）低温生长石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯自2004年被报道以来，由于其独特的力、热、光、电性能和其潜在的应用价值，受到众多研究者的亲睐。石墨烯是碳原子通过sp²杂化形成的单层碳原子二维结构材料，和碳纳米管一样，它在新型高性能纳米电子器件、新型显示器件、电池、传感器和高性能复合材料等领域有巨大的应用前景。

迄今为止，石墨烯的制备方法大致可以分为以下两类：

第一类，机械剥离法；机械法包括微机械分离法、胶带法等，主要过程是将高质量的石墨通过机械方法逐层剥离开来获得单层或多层石墨烯，此方法设备要求不高，易操作，能够获得结构可以和原料石墨很接近的石墨烯，但是难以获得大面积的石墨和大规模的工业生产。第二类：化学方法;例如氧化还原法,主要过程为先将石墨用强氧化剂氧化成石墨氧化物，使单层石墨间距变大有利于用超声或者热膨胀等机械法将其分开得到单层或者多层石墨氧化物，最后再用还原剂将所得石墨氧化物还原成石墨烯，此方法够低成本制备石墨烯，但是此方法获得的石墨烯由于很难完全还原，所得石墨烯质量和纯度都不高。在SiC表面外延生长石墨烯的方法，成本高,效率低，可控性差，也难于大面积工业生产。

化学气相沉积法（CVD）提供了一种制备石墨烯的有效方法，其最大优点在于可以制备出大面积的石墨，缺点是需要较高温度且制备过程中石墨烯厚度不易控制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种远程等离子体增强原子层沉积低温生长石墨烯及制备方法，其通过远程等离子体增强原子层沉积系统（PEALD）来实现单层和多层生长，能够精确控制石墨烯厚度，所制备石墨烯结晶度和纯度较高高，并且制备石墨烯所需制备温度低。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种远程等离子体增强原子层沉积低温生长石墨烯的方法为：以液态苯作为C源，使用PEALD设备进行ALD模式的石墨烯生长，以远程等离子体作为PEALD的另外一种源获得低温生长；反应前采用3kW的大功率H₂/Ar等离子体对Cu箔表面进行清洗和还原，去除Cu基底表面的污物和氧化层。

进一步，以上方法具体包括以下步骤：

1）以液态苯和高纯H₂/Ar混合等离子作为前驱体源；

2）将预先洗干净的Cu箔用PEALD的真空加载系统送入反应腔体并将其在1000Pa的氮气气氛下进行加热并稳定到400℃；

3）将Cu基底在3kW的大功率远程H₂/Ar等离子体下预处理20分钟；

4）开始PEALD循环，每个大循环包括：脉冲0.2秒的苯源，氮气清洗6秒将没有反应的苯排走，开始H₂/Ar等离子体脉冲9秒，然后再用氮气清洗1秒，重复以上过程数次。

上述步骤4）具体为：将苯源和等离子体源分别通入反应腔体，且中间进行氮气清洗脉冲。通过响应速度小于0.1秒的ALD脉冲阀来控制苯蒸汽进入反应室的量。

进一步，上述步骤4）中，通过控制PEALD循环次数制备单层或多层石墨烯。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明选用价格低廉的液态苯为碳源，通过PEALD设备实现苯与H₂/Ar等离子体在Cu基底的催化作用下发生反应生成石墨烯，厚度易控制，产物纯度高，结晶性好，降低了制备温度，可以在各种形状和三维结构的基底上实现大面积厚度均匀的单层和多层石墨烯生长，可以提高源的利用率，无泄漏安全问题且环保。

本发明制备出的石墨烯经球差校正透射电子显微镜(TEM,Titan G2，FEI)，场发射扫描电子显微镜(SEM,Quanta,FEI)，电子能量损失谱(EELS)进行测试和分析，确定具有以下性质：

(1)此方法在低温下制备出了大面积单层石墨烯。

(2)所得石墨烯的结构完美，没有发现化学氧化还原法和传统CVD所得石墨烯里面的杂质和缺陷。

(3)所得石墨烯很纯，没有发现有氮或者氧等杂质元素存在。

(4)生长速率较普通CVD大为提高，单层石墨烯生长仅为10个ALD循环(162秒).

附图说明