[发明专利]一种在硅微通道板中生长石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体地涉及一种在硅微通道板中生长石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由英国曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov两位科学家于2004年通过胶带机械剥离的方法得到的，2010年两人因此获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯由碳原子构成的二维晶体，单层厚度0.335nm，是头发厚度的1/200,1毫米厚的石墨有150万层石墨烯，石墨烯比表面积达到26002600m²/g。石墨烯具有优异的导电性能、特大比表面积，超出钢数十倍的强度和很好的透光性，其在电子器件、触摸屏、生物医药、传感器、超级电容器、锂离子电池等领域具备广阔的应用前景。

多孔硅(porous silicon PS)是硅在HF溶液中通过阳极溶解形成的一种材料。多孔硅的形成最先是在20世纪50年代研究硅的电化学抛光时报道的。根据国际理论和应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC)对多孔硅的分类标准，多孔硅按孔的尺寸(宽度或直径)可分为三种：大于50nm的叫做宏孔(macroporous)，在2-50nm之间的叫做中孔(mesoporous)，而尺寸小于2nm的称为微孔。本发明所涉及的微通道结构孔的尺寸大小一般在微米(um)级别，所以又称作宏孔硅。该微通道板是由本课题组研制的，孔的尺寸5微米乘以5微米，孔深250微米，具有自主知识产权。微通道板具有比表面积大、轻薄、制备工艺与集成电路工艺(IC)兼容的特点。其在光电倍增器、高能粒子探测、热传导器件、三维锂离子电池的、超级电容器、三维传感器等领域应用前景较好。

将石墨烯和硅微通道板合成复合电极，利用石墨烯导电性好、比表面积大，硅微通道板比表面积大、结构规整、制备工艺与IC工艺兼容、重量轻薄等特点，将该电极经过退火工艺后，形成MLG(Multi-layer graphene)/Ni/Si-MCP电极，该电极在场发射传感器和超级电容负极材料具备较好的应用前景。

石墨烯的制备方法较多，其中包括机械剥离、碳化硅表面外延生长、金属表面生长、氧化还原、石墨声波处理、切割碳纳米管法等。这些方法中使用较多的是氧化还原法和金属表面生长法，氧化还原法制备的石墨烯产量高、适合大规模生产，但是这种方法制备的石墨烯存在很多缺陷，只能应用在超级电容器、锂离子电池等储能器件。金属表面生长法制备的石墨烯层数较少，纯度高，可以应用在电子器件等要求较高的场合，但是该方法制备石墨烯所有CVD设备较昂贵、工艺难度较大，不易产业化。目前，据文献报道，有科学家用电泳的方法将石墨烯制备在多孔硅表面和孔内。2013年，王等人在《表面科学》中发表的一片文章中采用氧化还原的方法制备了石墨烯，然后通过电泳的方法将该石墨烯塞入多孔硅中，并且应用在电解水中，且效果非常好，该报道中所用的多孔硅其深度为20微米。对于如何将石墨烯制作在深度为250微米，深宽比达到50的硅微通道中成为一项技术难题。如果能够实现，该结构在场发射传感器、锂离子电池和超级电容器等器件中应用将无可限量。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种在硅微通道板中生长石墨烯的方法，以解决现有技术的难题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

一种在硅微通道板中生长石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将硅微通道板浸泡在以氢氟酸为主的腐蚀液中，去除表面自然生长的二氧化硅，使用表面活性剂活化硅微通道板；

(2)无电镀镍：将预处理后的硅微通道板放入一定温度的无电镀镍溶液中，进行化学镀多孔镍；

(3)水热多元醇渗碳：表面活性剂再次浸泡镀镍硅微通道板，将其放入装有多元醇和钠盐催化剂的水热反应釜中，一定温度和时间后，形成碳化镍；

(4)退火：含有碳化镍的硅微通道板在管式炉中退火，使得碳化镍中的碳析出，形成多层石墨烯，并包覆在镀镍硅微通道的内壁和上表面。

其中，

步骤(1)中，所述硅微通道板的尺寸为3×3～9×9微米²，深度在100至300微米可控。

所述的腐蚀液为HF、C₂H₅OH和H₂O的混合液，其体积比是HF：C₂H₅OH：H₂O＝100:125:10，浸泡3-5分钟，去除硅微通道表面自然生长的二氧化硅。