[发明专利]大面积单晶单层石墨烯膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及大面积单晶单层石墨烯膜及其制备方法。更具体地说，本发明涉及大面积单晶单层石墨烯膜，其中石墨烯层在晶面取向为(111)的单晶金属催化剂层上形成，所述单晶金属催化剂层任选地在衬底上；和用于通过金属前体的退火和化学气相沉积来制备晶面取向为(111)的大面积单晶单层石墨烯膜的方法。

背景技术

石墨烯是sp²键合碳原子的单原子厚度的二维结构并且具有其中类似于苯环的碳原子的六元环呈蜂巢结构排列的晶体结构。石墨烯由于其高透明性而表现出高的可见光透射率，并且具有优异的机械性能和优越的导电性。由于这些优点，石墨烯作为用于透明电极、半导体器件、分离膜及传感器的具有前景的材料已受到关注。

目前通过例如以下方法制备石墨烯膜：石墨的机械剥离，基于石墨烯的氧化还原反应的化学剥离，碳化硅衬底上的外延生长，以及过渡金属催化剂层上的化学气相沉积(CVD)。特别地，可以认为CVD是一种通过其能够以低成本大面积地制备石墨烯的方法，由此增加石墨烯膜成功商品化的可能性。根据用于制备石墨烯膜的普通CVD方法，已知沉积在多晶过渡金属催化剂层上的石墨烯不能够大面积地生长为单晶。

已知一种制备大面积单晶石墨烯膜的方法，其中通过热蒸发、电子束蒸发或溅射法在单晶衬底例如蓝宝石或氧化镁衬底上形成单晶过渡金属催化剂层，通过CVD将石墨烯沉积在催化剂层上(专利文献1)。然而，单晶过渡金属催化剂层的形成使得必须使用昂贵的单晶衬底，这使得大面积地制备石墨烯膜的经济效率低。因此，石墨烯膜难以商品化。

已知另一种用于制备单层石墨烯膜的方法，其包括在衬底上形成过渡金属催化剂层例如铜催化剂层，并通过在800℃至1000℃和1托至760托进行退火从而使过渡金属催化剂层结晶(专利文献2)。然而，衬底是基本需要的，并且，通过退火而结晶的过渡金属催化剂层由于没有单晶结构所以无法生长成高质量的大面积单晶单层石墨烯膜，这使得难以将石墨烯膜商品化。

在这些情况下，为了在不使用昂贵的单晶衬底的条件下通过CVD在金属催化剂层如铜催化剂层上均匀地沉积石墨烯，控制与温度、压力、烃气前体、以及气体例如氢或氩的量或流量相关的工艺参数以制备单层石墨烯膜。石墨烯膜中的单层结构的水平达到95％至97％，但是双层、三层或多层结构并存并且占石墨烯膜的约3％至约5％。多层结构的存在阻止晶粒在石墨烯膜中聚集和迁移以生长成更大晶粒的单晶，而是导致其中晶粒边界以各个方向为取向的多晶层的形成。

近年来，已经进行了关于以下的研究：在不使用昂贵的单晶衬底的条件下通过CVD来制备其中单层结构的水平达到几乎100％的单晶单层石墨烯膜(非专利文献1)。根据此研究，控制工艺参数以使晶核在铜催化剂层上生长至最大可能的大小。还报道了六边形石墨烯区域之间的边-边距离和六边形石墨烯区域的表面积分别合计为最大2.3mm和最大4.5mm²，这比以前所报道的那些大约20倍。然而，由于使用具有至多1cm×1cm的大小的铜箔作为铜催化剂层，所以研究仍处在实验室水平。铜箔的有限的面积是单晶单层石墨烯膜商品化的障碍。

已知另一种用于制备单层石墨烯膜的方法，其中将石墨化催化剂例如市售铜箔在500℃至3000℃初步退火10分钟至24小时，然后进行化学抛光(专利文献3)。然而，在初步退火的条件下没有得到石墨化催化剂的单晶结构。在专利文献3的实验实施例部分，在作为石墨化催化剂的具有约1cm×1cm的大小的铜箔上制备了单层石墨烯膜。该单层石墨烯膜具有作为高品质决定因素的单晶结构，但是不能大面积地制备。

专利文献1：韩国专利公布第10-2013-0020351号；

专利文献2：韩国专利第10-1132706号；

专利文献3：韩国专利公布第10-2013-0014182号；

非专利文献1：ZhengYan等,ACSNano2012,6(10),9110-9117

发明详细描述

本发明所要解决的问题

鉴于以上问题而做出本发明，本发明的目的在于提供大面积单晶单层石墨烯膜，其中石墨烯层在晶面取向为(111)的单晶金属催化剂层上形成，所述单晶金属催化剂层任选地在衬底上；以及用于通过金属催化剂层的退火和化学气相沉积大面积地制备晶面取向为(111)的单晶单层石墨烯膜的方法。

用于解决问题的方案

本发明的一个方面提供大面积单晶单层石墨烯膜，其包含晶面取向为(111)的单晶金属催化剂层，所述单晶金属催化剂层任选地在衬底上；以及在单晶金属催化剂层上形成的石墨烯层。