[发明专利]一种石墨烯/Cu/Ni复合电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属电极保护技术领域，更具体地，涉及一种石墨烯/Cu/Ni复合电极及其制备方法。

背景技术

Cu/Ni复合金属易于塑型、加工和焊接，在金属互连、飞行器部件、植入装置等器件中作为电极被广泛使用。石墨烯是一种二维单原子层材料，因其优秀的机械、光学、电学、化学稳定性等而应用广泛，尤其是其良好的化学稳定性，可以用作防腐蚀材料以保护Cu/Ni复合金属电极。

然而，研究表明在石墨烯的缺陷处会发生严重的腐蚀下层金属的现象，高质量、无缺陷的单层石墨烯能有效地减少腐蚀现象的发生。目前，经常采用CVD技术来制备大面积、高质量的石墨烯。以单一过渡金属(Cu、Ni等)为催化剂，以烃类化合物为碳源，淀积生长石墨烯；然后将生长的石墨烯薄膜转移至目标基底上，经过图形化处理等步骤，进行器件的应用。但复杂、破坏性的石墨烯转移及图形化过程会严重损害石墨烯的质量，导致多余的缺陷，影响石墨烯在金属电极防腐方面的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种石墨烯/Cu/Ni复合电极及其制备方法，避免了石墨烯转移过程和图形化过程对石墨烯质量的破坏，减少了石墨烯缺陷的数目，通过调整Ni膜与Cu膜的厚度，采用分段升温的CVD工艺，获得高质量的石墨烯，增强了石墨烯对Cu/Ni合金的保护能力，得到的复合电极具有优异的抗腐蚀性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种石墨烯/Cu/Ni复合电极，其特征在于，包括Cu/Ni合金层和覆盖在所述Cu/Ni合金层上的石墨烯薄膜；其中，所述Cu/Ni合金层由Ni膜和覆盖在所述Ni膜上Cu膜发生Ni原子与Cu原子的相互扩散形成，所述Ni膜与所述Cu膜的厚度比为1:(3～10)。

优选地，所述Cu/Ni合金层和所述石墨烯薄膜均为图形化结构。

按照本发明的另一方面，提供了一种石墨烯/Cu/Ni复合电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在基底上淀积一层Ni膜，再在Ni膜上淀积一层Cu膜，得到Cu/Ni复合金属基底；其中，Ni膜与Cu膜的厚度比为1:(3～10)；

(2)利用CVD方法，在Cu/Ni复合金属基底上生长石墨烯薄膜；

所述步骤(2)进一步包括如下步骤：

(A1)在Ar和H₂的混合气氛中，升温至400℃～800℃，并保温3h～5h；

(A2)继续升温至1000℃～1050℃；

(A3)通入碳氢化合物作为碳源，保温15min～30min；

(A4)在Ar和H₂的混合气氛中，降温至室温。

按照本发明的又一方面，提供了一种石墨烯/Cu/Ni复合电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在基底上制备图形化的光刻胶；

(2)淀积一层Ni膜，再在Ni膜上淀积一层Cu膜；其中，Ni膜与Cu膜的厚度比为1:(3～10)；

(3)去除光刻胶，得到图形化的Cu膜和Ni膜；

(4)利用CVD方法，在图形化的Cu膜上生长石墨烯薄膜；

所述步骤(4)进一步包括如下步骤：

(A1)在Ar和H₂的混合气氛中，升温至400℃～800℃，并保温3h～5h；

(A2)继续升温至1000℃～1050℃；

(A3)通入碳氢化合物作为碳源，保温15min～30min；

(A4)在Ar和H₂的混合气氛中，降温至室温。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、直接在金属上生长石墨烯，实现了单层石墨烯的原位生长和应用，避免了石墨烯转移过程对石墨烯质量的破坏，减少了石墨烯缺陷的数目，增强了对Cu/Ni合金的保护能力。

2、复合金属中的Ni原子在高温下与Cu原子相互扩散，起到了平滑金属基底表面，增大晶粒尺寸的作用，有利于单层、无缺陷石墨烯的生长，通过调整Ni膜与Cu膜的厚度，能获得高质量的石墨烯，对下层金属具有更好的保护效果。

3、图形化生长单层石墨烯，避免了在器件应用中的石墨烯图形化过程对石墨烯质量的破坏，减少了石墨烯缺陷的数目，增强了对Cu/Ni合金的保护能力。

4、利用分段升温的CVD工艺生长石墨烯，减少了高温对Cu/Ni合金的破坏，并进一步提高了石墨烯的生长质量。

附图说明