[发明专利]一种高质量大尺寸单晶石墨烯的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及石墨烯新材料及其化学气相沉积（CVD）制备技术，具体为一种高质量大尺寸单晶石墨烯的制备方法，适于制备高质量大尺寸单晶石墨烯。

背景技术：

石墨烯是紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构单层碳原子晶体，是构建其他维数炭材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元。这种严格的二维原子晶体材料具有极好的电学、热学和力学性能，如：室温下其电子迁移率高达200,000cm²/V·s，热导率高达5000W·m^-1·K^-1，杨氏模量高达1TPa。石墨烯这种优异的性能使其可望在多功能纳电子器件、透明导电膜、复合材料、催化材料、储能材料、场发射材料、气体传感器及气体存储等领域获得广泛应用。因此，自2004年英国曼彻斯特大学的研究组首次获得稳定存在的石墨烯后，它便迅速成为材料科学、凝聚态物理、化学等领域最为活跃的研究前沿。

目前，石墨烯的制备有很多方法，包括微机械剥离法、化学剥离法、碳化硅外延生长法、化学气相沉积法。其中，机械剥离法过程简单，产物质量高，但只能得到极少量石墨烯，效率低、随机性大；SiC表面外延生长法可获得大面积的单层石墨烯，且质量较高，但该方法生长效率低、可控性差，且生长条件苛刻，石墨烯难于转移；化学剥离法由于强氧化过程的参与导致制备出的石墨烯含有较多缺陷，导电性较差，并且石墨烯的尺寸较小（片径大多在微米量级）。CVD方法具有简单易行、所得石墨烯质量很高、可实现大面积生长以及较易于转移到各种基体上使用等优点，因此该方法被广泛用于制备石墨烯晶体管和透明导电薄膜，目前已逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。

然而，目前CVD方法制备的石墨烯迁移率普遍偏低，通常介于几百到几千cm²/V·s，其导电性也远低于理论极限。石墨烯的晶界和面内缺陷被普遍认为是导致迁移率和导电性降低的主要影响因素之一。但是在CVD制备过程中，由于石墨烯的形核密度不易控制，制备的石墨烯的晶粒尺寸通常在几百纳米到几百微米之间。而且，石墨烯在形核和生长过程中容易产生缺陷。这些都极大了影响了迁移率和导电性。因此，如何利用CVD方法制备出高质量大尺寸的单晶石墨烯一直是石墨烯研究领域的难点。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种高质量大尺寸单晶石墨烯的制备方法，该方法具有成本低、流程简单、可控性好等优点，因此可作为一种适于制备高质量大尺寸单晶石墨烯的理想方法。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种高质量大尺寸单晶石墨烯的制备方法，该方法采用化学气相沉积技术，在含有氢气的载气存在的情况下，先对金属基体进行热处理，并利用碳源气体高温下在金属基体表面催化裂解，生长出单晶石墨烯。然后通过控制氢气、碳源浓度，对生长后的石墨烯单晶进行刻蚀，大幅度减小单晶石墨烯的分布密度，使其每10平方英寸数目减小到1～2个，这为生长大尺寸单晶提供了空间，然后调节氢气和碳源浓度使其再次生长，当单晶石墨烯的数目变多时，再进行刻蚀，如此反复。经过数次刻蚀再生长之后，最终获得高质量大尺寸单晶石墨烯。

本发明中，所用金属基体为表面平整的铂、钌或铱等贵金属或铜、镍等金属的薄片或薄膜，纯度大于99wt%，厚度不小于100nm，优选为500nm～1μm。

本发明中，所用金属基体需在丙酮、乳酸乙酯、水和乙醇之一种或一种以上中分别超声清洗，时间不少于10分钟，优选为1小时～2小时。

本发明中，所用金属基体需经退火热处理，处理温度为800℃～1500℃，优选为900℃～1100℃；气氛为氢气（或氢气与氮气或氩气等气体的混合气体），其中氢气摩尔比不小于1%，流速不小于10sccm；退火时间不少于10分钟。优选的，氢气摩尔比为50～100%，流速为300～700sccm；退火时间为8小时～10小时。

本发明中，采用化学气相沉积法制备大尺寸单晶石墨烯，所用碳源为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、乙醇等碳氢化合物中的之一种或一种以上，载体为氢气（或氢气与氮气或氩气等气体的混合气体），碳源和载气的纯度均大于99%（体积），碳源与氢气的摩尔比为0.005～1，优选为0.005～0.1。生长温度为600℃～1200℃，优选为900℃～1100℃。生长时间不小于20分钟，优选为30分钟～1小时。