[发明专利]一种制备1至5层单晶石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于二维薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种多层石墨烯的制备方法。 

背景技术

石墨烯是碳原子按照sp²杂化成键构成的蜂窝状单层碳材料，其特殊的晶体结构赋于了石墨烯许多优异的物理性质，如室温量子霍尓效应、高载流子迁移速率、高热导率、长程弹道输运性质等（Science 306(2004)666-669）。这些优异的物理性质使得石墨烯成为后硅时代最具潜力的电子材料之一。然而，由于石墨烯的零带隙特性使得单层石墨烯很难应用于场效应晶体管(Nature 459(2009) 820-823)。但是，由于双层及少层（n<6）石墨烯具有可调控的能隙，使得其在微电子及传感器领域具有广泛的应用前景（J.Phys.Chem.C 115(2011)9458-9464;Nat.Nanotechnol.4(2009)383-388）。 

目前，制备双层及少层石墨烯的方法主要包括机械剥离法、SiC晶体外延生长法、氧化石墨还原法及在过渡金属（Ni、Cu、Co、Ru、Pt等）上的化学气相沉积法（CVD，chemical vapor deposition method）。机械剥离法主要用于实验室制备高质量石墨烯样品，但是生长的石墨烯尺寸较小、层数难以控制，且产量很低。虽然运用SiC 晶体外延生长法可以制备出大尺寸多层石墨烯，但是制备得到的石墨烯层数较多（n>10）、晶体质量较差，而且由于SiC单晶价格昂贵，从而导致其制备成本较高。氧化石墨还原法可以制备出大量多层石墨烯，但是分离石墨烯的不同层数较困难，且制备得到的石墨烯尺寸小、质量差。目前制备大面积高质量多层石墨烯最有潜力的方法是在过渡金属薄膜上的化学气相沉积法。由于Ni和Cu薄膜价格较低，且易于采用湿化学法腐蚀，因此成为了CVD法制备石墨烯最常用的衬底材料。 

当采用Ni薄膜作为衬底时，石墨烯以渗透－偏析机理进行生长，同时由于Ni衬底晶界的存在及C原子扩散距离的差异，使得制备得到的单层及双层石墨烯为多晶薄膜，而且很难对实验过程进行精确的控制(Nano Research2(20096)209-516)。当Cu薄膜作为衬底时，石墨烯以形核－生长模式进行生长，可以制备出大面积高质量的单层石墨烯。然而，由于石墨烯在Cu衬底上的自限制生长特性，使得该方法很难用于多层（n>1）石墨烯的制备(Nano Lett.11(2011)1106-1110)。而且，当前CVD法制备得到的多层石墨烯大多限于3层，这就限制了对多层石墨烯基本物理性质的研究及其工业应用。因此，如何实现多层（n>1）石墨烯的制备是完善多层石墨烯基本物理性质研究的关键，也是实现石墨烯基微电子及传感器领域广泛应用的基础。 

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种多层石墨烯的制备方法。 

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是： 

一种制备1至5层单晶石墨烯的方法，包括以下步骤： 

步骤1，将Cu衬底进行电化学抛光1～5min，然后分别在去离子水、乙醇中清洗1～5min，取出衬底后用高纯氮气吹干。Cu衬底也可以不进行电化学抛光； 

步骤2，将处理好的Cu衬底放入特制的化学气相CVD反应室中，抽真空至10^-1～10^-4Pa，以除去反应室内的残留气体； 

步骤3，向反应室内充入高纯H₂，气流率为1～200sccm，反应室内压力为1～10³Pa，加热至150～300℃，保温10～30min，然后关闭充气阀，抽真空至10^-1～10^-4Pa，除去衬底及CVD反应室内壁附着的残留气体； 

步骤4，向反应室内充入高纯H₂，气流率为1～100sccm，反应室内压力为1～10³Pa加热至900～1075℃； 

步骤5，向反应室内充入CH₄，气流率为1～50sccm，反应室内压力为1～10³Pa，衬底温度为900～1075℃，保温生长5～300min； 

步骤6，保持工序步骤4和步骤5中H₂和CH₄流量不变，关闭加热电源，自然降温，完成1至5层石墨烯的生长； 

步骤7，温度降至100℃以下，关闭H₂、CH₄，充入Ar气，取出样品。