[发明专利]一种制备多层石墨烯薄膜的方法

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薄膜的制备方法。

背景技术

随着太阳能能源的开发和各类显示设备的普及，对制作透明电极材料的需求量越来越大。预计到2016年，透明电极的市场规模将达到69亿美元(Chemical Society Reviews41(2012)797-828)。一般来说，一种材料要想用来制作电极，首先必须具备的两个性质就是高导电率和高透光率。目前工业应用最多的是铟锡氧化物ITO(Solar Energy Materials and Solar Cells95(2011)1339-1343。然而，铟是一种毒性非常大的重金属，会对环境和人体造成严重损害。而且，铟和锡矿储量有限，原料成本越来越高，大大提高相应电子产品的成本。不仅如此，铟锡氧化物ITO本身易碎且化学性质活泼，严重影响电子产品的性能和寿命。幸运的是，Novoselov和Geim在2004年首次采用机械剥离法制备出了具有替代铟锡氧化物ITO潜力的材料——石墨烯(Science306(2004)666-669)。

单层石墨烯是由sp²杂化的碳原子构成的蜂窝状结构的单原子层厚的二维材料，具有许多优异的物理化学性质，如高透光率、高载流子迁移速率、长程弹道输运性质等(Nature438(2005)197-200)。多层石墨烯的透光率比单层石墨烯只有稍微的降低，而电阻率却随着层数的增加显著减小(Nature Nanotechnology20(2010)574-578)，因而，在透明电极领域具有更加广泛的应用前景

目前，制备多层石墨烯的方法主要包括微机械剥离法、氧化石墨还原法，热解SiC单晶及在过渡或稀有金属(Ni、Cu、Fe、Ir、Ru、Pt等)表面化学气相沉积法(CVD，chemical vapor deposition method)。微机械剥离法可以制备高质量石墨烯样品，但是石墨烯尺寸小、层数难以控制，且生产效率低。氧化石墨还原法适合规模化生产多层石墨烯，但是分离出具有不同层数的石墨烯比较困难，且制备得到的石墨烯尺寸小、质量差，会严重损害电子器件的工作效能。虽然利用热解SiC单晶法可以制备出具有晶片尺寸大小的多层石墨烯，但是制备得到的石墨烯无法进行转移(Nature Materials8(2009)203-207)，而且SiC单晶价格昂贵，从而限制了该方法的工业化应用。目前制备大面积、高均匀性的多层数石墨烯薄膜最有潜力的方法是在过渡金属上的CVD法。在Ni衬底上采用CVD法已经能够制备大面积的多层石墨烯(Nano Lett.9(2009)30-35)。然而，由于石墨烯的渗透——偏析生长机理，以及在Ni衬底有大量的晶界存在及C原子扩散距离的差异，使得制备得到的多层石墨烯薄膜厚度不均匀(Nano Research2(2009)209-516)，影响电子器件的工作稳定性。当Cu作为衬底时，石墨烯以形核——生长模式进行生长，有利于大面积、高质量石墨烯的制备。然而，由于石墨烯在Cu衬底上的自限制生长特性(Nano Lett.11(2011)1106-1110)，使得该方法很难用于多层(n>1)石墨烯的制备。Bae等(Nature Nanotechnology20(2010)574-578)虽然通过重复转移-叠加的方法制备得到了尺寸达30in的多层石墨烯薄膜，但是其重复转移-叠加操作严重地增加了多层石墨烯薄膜的生产成本。例如，要制备一片尺寸为1in的4层石墨烯薄膜，需要转移-叠加操作3次，生产时间要延长3倍，而且需要腐蚀掉至少4倍大小的铜衬底。因此，如何利用CVD法在Cu衬底上实现多层石墨烯薄膜的制备对多层石墨烯透明电极的工业化应用具有重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种制备多层石墨烯薄膜的方法。

本发明的技术方案如下：

一种多层石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将Cu衬底进行电化学抛光0.5～10min，然后分别用去离子水、乙醇清洗0.1～10min，取出衬底后用高纯N₂吹干；Cu衬底也可以不进行电化学抛光；