[发明专利]一种用PVD技术制备石墨烯或超薄碳膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用PVD技术制备石墨烯或超薄碳膜的方法，属于薄膜材料技术领域。

背景技术

碳是自然界广泛分布的一种元素，以多种形式存在，常见的有石墨，无定形碳和金刚石，以及近年来发现的碳纳米管、石墨烯等。不同形态的碳之间的性能有很大差异，但究其原因是由于碳可以形成几种稳定的杂化形式，也就是sp¹杂化、sp²杂化和sp³杂化。石墨烯是指单层石墨层片，仅有一个原子尺寸厚，由sp²杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中的碳-碳键长约为0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固，形成了稳定的六边形状。形象来说，石墨烯就是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状的晶体，此外，除严格意义上的单层石墨烯以外，双层和少数层石墨层片在广义上也被归为石墨烯范畴。

石墨烯由于具有良好的物理奇异性和电学性质，在半导体功能器件的相关材料应用方面前景很广：石墨烯具有优异的光学性能，理论和实验结果表明，单层石墨烯光透过率为97.7%；石墨烯中的电子受到的干扰很少，在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达2×10⁵ cm²/(V·s)，约为硅电子迁移率的140倍。目前制备石墨烯的方法主要有（一）固相法：如机械剥离法，石墨烯最初是通过机械剥离法从高定向热解石墨分离出来的，但该方法产量小且尺寸难控制，仅适用于小范围的基础研究；（二）液相法：如氧化还原法、超声分散法等，但通过此类方法制备的石墨烯也有晶化程度不高或难以纯化与转移等缺点；（三）化学气相沉积法：如化学气相沉积法结合溶解-析出法（CVD），这种方法在制备单层的石墨烯上有较大的优势，但用CVD方法溶解的碳淬冷后仅有很小一部分析出形成石墨烯,厚度不易控制，而且CVD方法需要1000℃以上的高温以及会产生废气，不利于节能环保；此外离子注入结合热处理-冷却析出法也是目前制备石墨烯较为行之有效的一种方法。

发明内容

本发明提供了一种用PVD技术制备石墨烯或超薄碳膜的方法，解决了背景技术中的不足，该方法能够满足对大规模、厚度均一的石墨烯或超薄碳膜的制备，具有重要的工业应用前景。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种用PVD技术制备石墨烯或超薄碳膜的方法，包括以下步骤：首先将基片放入沉积腔中的基片架上，对基片的表面进行辉光清洗；之后在氩气环境、真空度0.5Pa～1 Pa 、70℃～100℃、基体偏压－50 V～-200V的条件下，向沉积腔中通入乙炔和氩气的混合气体；打开阳极层离子源对混合气体离化，离化时阳极层离子源的电压为300～500V，乙炔被离化后产生含碳阳离子，阳离子在电场作用下对基片轰击并在基片上沉积；沉积完成后在真空条件下退火1～2h，退火温度为600～900℃，退火完成后即可在基体表面上制得石墨烯或超薄碳膜。

基片上采用阴极电弧离子镀膜方法沉积一层起催化作用的金属催化层，金属为Cu或Ni。

所述的金属催化层的制造工艺如下：在对基片表面的辉光清洗完成后，在氩气环境、基体偏压－50 V～－200V、真空度0.1Pa～1Pa的条件下，开启多弧靶，金属靶材上的电压为20V，电流为40～100A，金属在基片表面上沉积生成金属催化层，沉积时间为5～10min。

所述基片为硅基片、二氧化硅薄膜基片或金属箔片。

所述的辉光清洗为：在氩气环境、真空度2.5Pa、基体偏压-800V的条件下，对基片表面进行辉光清洗20min。

在向沉积腔中通入乙炔和氩气的混合气体时，乙炔的流量为10～20sccm，氩气的流量为60～80sccm。

石墨烯或超薄碳膜在基片表面上沉积的过程中基片随基片架一起旋转，转速为3rmp。

退火时的冷却速度为10℃/min。

本发明采用含氢的乙炔起作为碳源，此外还需用惰性气体辅助离化，由于氩气廉价易获得，所以这里采用氩气辅助离化。乙炔气经过阳极层离子源离化为碳和氢的阳离子，碳离子被负偏压吸引，在基片上形成石墨烯或超薄碳膜，而氩离子对基片的轰击可以刻蚀掉薄膜中的氢，从而减少sp³杂化键的形成，然后在一定条件下真空退火，从而获得高质量的石墨烯或超薄碳膜，其中在低温600℃退火可获得均一的超薄碳膜，高温900℃退火，在金属催化剂的催化作用下可制得石墨烯。