[发明专利]一种石墨烯制备方法

说明书

技术领域

    本发明属于信息材料技术领域，涉及二维纳米薄膜材料及其制备方法，具体地说是基于催化剂的直接生长图形化石墨烯制备方法。

背景技术

石墨烯最早于2004年出现在实验室中，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现可用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，即可将石墨片一分为二。不断地这样操作，于是石墨薄片越来越薄，最后，得到了仅由一层C原子构成的石墨薄片，这就是石墨烯。从这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，但使用最多的方法主要有以下两种：

化学气相沉积CVD法：提供一种可控制备石墨烯的有效方法，它是将平面基底（如金属薄膜、金属单晶等）置于高温可分解的前驱体（如甲烷、乙炔等）气氛中，通过高温裂解使C原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。如申请号为201210248653.2的发明专利公开了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：提供洁净基板，在基板上沉积或涂布催化剂，随后倒置在化学气相沉积设备内，附有催化剂的一面朝向化学气相沉积设备的底部，密封；向化学气相沉积设备内通入氢气，保持10～30min，开始加热；加热至600～1100℃，通入含碳气体，含碳气体从化学气相沉积设备的底部通往基板，保持10～300min后，停止加热，停止通入含碳气体，在氢气保护下冷却至室温，停止通入氢气，得到垂直于基板的石墨烯。通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长，如生长速率、厚度、面积等，此方法的最大缺点在于获得的片层与金属衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，而且石墨烯的连续性不是很好。

热分解SiC法：将单晶SiC加热以通过使表面的SiC分解而除去Si，随后残留的C形成石墨烯。如申请号为201010256345.5的发明专利公开了一种在SiC衬底上外延生长石墨烯的方法以及由该方法制得的石墨烯和制备石墨烯器件的方法，该方法包括以下步：采用对SiC衬底图形化的制备技术，在SiC衬底表面形成图形阵列；对图形化的SiC衬底进行热分解，在SiC衬底表面形成石墨烯。然而，SiC热分解中使用的单晶SiC非常昂贵，而且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，层数不均匀，而且做器件时由于光刻、干法刻蚀等工艺会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

传统方法制备的石墨烯都需要转移到SiO₂等基底上进行测试或者进行器件制备的后续工艺。转移时需要先涂胶，涂胶过程中不仅很可能引入有机物杂质，也有可能将空气中的无机物杂质引入；转移过程中石墨烯完整性还容易破坏；为了实现图形化的石墨烯，随后还要将刻蚀工艺，可能引入刻蚀液中的离子杂质，刻蚀也会导致石墨烯出现各种缺陷。所以传统的工艺不仅复杂繁琐，容易引入杂质并且破坏石墨烯晶格的完整性。

为了克服以上缺点，本发明采用一种化学气相沉积方法直接在衬底上制备石墨烯，以在衬底上得到连续性好的单层或者多层石墨烯。本发明实现了在SiO2衬底或者其他衬底上直接生长石墨烯，废除了转移这一道工序，能很好地降低了石墨烯破碎率；同时可以实现从纳米尺度到厘米尺度的图形化石墨烯生长，不需要对石墨进行后续刻蚀工艺，可以很好地保证石墨烯结晶的完整性。得到石墨烯直接粘附在衬底上，可以用来进行后续的工序，制成各种电子器件。

发明内容

本发明的目的在于针对现有石墨烯生长技术的不足，提出一种新型的利用等离子体化学气相沉积直接在衬底上制备石墨烯的方法，以提高石墨烯表面的光滑度和连续性，降低孔隙率，并且能够大面积生长，免除了在后续制造器件过程中要对石墨烯进行刻蚀的工艺过程，保证石墨烯的电子迁移率不因刻蚀工艺而大大降低，最大限度提高器件性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种直接在衬底上制备石墨烯方法，其特征在于包括以下步骤：

     （1）对抛光的衬底基片进行清洗；

     （2）在衬底基片上镀金属催化剂膜；

     （3）将镀有金属催化剂膜的衬底基片放入化学气相沉积设备的反应腔中； 

     （4）向反应腔中通入氢气；

     （5）启动化学气相沉积设备产生等离子球，启动化学气相沉积设备中的加热电源对衬底基片进行加热；

     （6）衬底基片预热至500~900℃，通入碳源气体，石墨烯开始直接在衬底基片上生长；