[发明专利]基于氧化亚铜薄膜衬底低成核密度石墨烯单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯材料的制备领域，特别涉及基于氧化亚铜薄膜衬底低成核密度石墨烯单晶的制备方法。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化的碳原子组成的六角蜂窝状二维材料，它具备很多优越的性能：例如很大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，石墨烯具有巨大的应用潜力。到目前为止，CVD生长法制备的石墨烯具有大面积、高质量，简单易行的特点而受到人们的广泛关注。然而现有的研究结果显示CVD法制备的石墨烯器件的迁移率大致为1000-10000cm²/V·s，远远达不到理论值200000cm²/V·s，由此可见CVD法制备的石墨烯的电学性质还有待提升。

研究表明，石墨烯晶界是影响石墨烯电学性质的重要因素。如何减少石墨烯薄膜中晶界的影响一直是人们研究的课题。石墨烯大单晶的制备可以有效减小石墨烯晶界密度，从而提高电学性质。成核是石墨烯单晶制备的重要环节，低的成核密度决定了石墨烯单晶的生长空间。因此，如何生长低成核密度的石墨烯单晶至关重要。2013年德克萨斯州大学奥斯汀分校的Ruoff组等人发现了在铜基CVD石墨烯生长过程中引入氧气可以降低石墨烯的成核密度，通过在生长气氛中引入氧元素得到了厘米级尺寸的石墨烯单晶。因此，本发明拟提出通过氧化亚铜薄膜衬底直接制备石墨烯，突破了传统使用铜制备石墨烯的制备方法，利用衬底处理而非改变生长气氛引入氧元素，获得了低成核密度的石墨烯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氧化亚铜薄膜衬底低成核密度石墨烯单晶的制备方法，本发明所要解决的技术问题是提供基于氧化亚铜薄膜衬底低成核密度石墨烯单晶的制备方法，通过制备表面为氧化亚铜薄膜的衬底，利用氧化亚铜在高温下对石墨烯成核的抑制作用，可以制备出低成核密度的石墨烯单晶，从而发展为制备低晶界密度的石墨烯连续膜，提高材料质量。同时通过控制衬底的处理时间和温度能够实现氧化亚铜的含量调控，进一步实现生长时石墨烯单晶密度可控。

本发明提供的基于氧化亚铜薄膜衬底低成核密度石墨烯单晶的制备方法是通过氧化亚铜薄膜衬底，直接制备出低成核密度的石墨烯单晶的方法，具体包括以下步骤：

(1)氧化亚铜薄膜的制备：将抛光完毕进行石墨烯单晶生长前的铜箔置于退火炉中，通入含氧空气加热一段时间，使供石墨烯单晶生长的铜箔表面形成薄氧化铜层，其中氧化铜层的厚度与加热的温度和时间有关，然后将所得的氧化铜薄膜浸泡在水合肼溶液中，得到表面为氧化亚铜的衬底。

(2)低密度石墨烯单晶制备：将所制备的氧化亚铜薄膜衬底置于CVD石英管中加热，通入氢气退火，退火之后通入混合甲烷以及氢气生长石墨烯单晶即可。

所述的铜箔在含氧空气中的加热温度为150-500℃。

所述的铜箔在含氧空气中的加热时间为1-120min。

所述的含氧空气含氧气的体积百分比为10％-100％。

所述的水合肼溶液的体积百分比浓度为1％-30％。

所述的水合肼溶液浸泡时间为10-60min。

所述的水合肼溶液浸泡温度为15-25℃。

所述的氢气退火温度在900℃-小于铜箔熔点之间。

所述的生长过程的温度为900℃-小于铜箔熔点之间。

所述的石墨烯单晶生长时混合气体中甲烷的气体体积百分比为0.0005％-0.005％

所述的生长时间为0.1～999min。

本发明利用水合肼的还原作用将加热得到的氧化铜层还原为氧化亚铜薄膜衬底，在氧化亚铜薄膜衬底制备出低成核密度的石墨烯单晶。具体思路是：氧化亚铜在CVD石墨烯生长中具有很弱的催化作用，可以大大降低石墨烯的成核速率，通过引入氢气还原可以将衬底表面的氧化亚铜层还原为具有较强的催化作用的铜可以控制生长初期的石墨烯的成核速率，利用石墨烯在生长过程中吸附过程优先于成核的特点，在生长初期得到的少量的石墨烯核会迅速长大，而不会出现新核。这样可以得到低成核密度的石墨烯单晶。