[发明专利]一种氧化物衬底辅助的快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化物衬底辅助的快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯(graphene)是由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状结构，是构成其他维度碳质材料的基本单元。2004年Geim和Novoselov等利用微机械剥离的方法成功地从石墨中剥离出石墨烯，这一巨大突破引发了对石墨烯的研究热潮，石墨烯一系列新奇的特性开始展现在人们眼前。石墨烯的价带和导带在费米能级的六个顶点上相交，是一种零带隙材料，且其能带结构在费米能级附近呈线性关系。每个碳原子都贡献出一个未成键的电子，赋予了石墨烯很好的导电性以及超高的载流子迁移率(其载流子迁移率理论上最高可达到200 000cm²V^-1s^-1，比硅高100倍)，并且这种载流子传输性能受温度影响极小。正是这种独特的性能，使得石墨烯在基于硅基互补型金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的微电子技术将趋近于发展极限的今天，被公认为的最有可能的替代硅的材料之一。2009年，国际半导体路线图委员会推荐基于碳纳米管和石墨烯的碳基电子学技术作为未来10至15年可能实现商业价值的新一代电子技术。另外，石墨烯超高的机械强度和热导率、优异的透光率使其在其他很多领域都有着广阔的应用前景。

尽管石墨烯在很多领域具有巨大的潜在应用，但是目前为止仍然没有合适的制备方法可以高效率地获得高质量的石墨烯，研究者们在实现石墨烯实际应用的道路上依旧艰难前行。最早获得单层石墨烯的机械剥离法获得的石墨烯虽然品质高，但是产量极低、效率低、尺寸小、重复性差。现有石墨烯制备方法中，过渡金属表面化学气相沉积(CVD)方法具有简单易行、操作容易、制备出的石墨烯质量较高、尺寸较大(厘米量级)的特点，且容易转移到其他基底上。然而，目前CVD方法制备出的大尺寸石墨烯多数为多晶石墨烯，存在大量的晶界，这极大限制了石墨烯的迁移率和导电性能。为了削弱晶界的影响，提高石墨烯的质量及电学性能，大尺寸单晶石墨烯的制备备受瞩目。目前获得大尺寸单晶石墨烯的主要方法是在生长初期减少成核点，实现的手段主要分为两类：一是使用单晶基底或者对多晶基底进行复杂的表面预处理以减少基底表面活性位点，该方法存在着表面处理工序复杂、处理时间长的问题，进而造成制备成本大大提高；二是在生长期间使用极低的甲烷流量以增加成核难度，然而极低的甲烷流量会导致很长的生长时间，增加能耗及生长成本。并且，在生长过程中，形核是一个概率事件，在生长过程中随着时间的增长，必然会有新核随机形成，故通过该方法获得的单晶石墨烯的尺寸具有一定的极限。在实验中，通过合理结合这两种手段可有效地获得大尺寸石墨烯单晶，但是复杂的工序、较长的生长周期及高成本，使得大尺寸单晶石墨烯的产业化很难实现。因此，优化现有CVD方法，寻找一种既可以降低形核密度、又可以增加生长速率的有效手段，实现快速制备大尺寸单晶石墨烯，对于石墨烯的实际应用及产业化具有重要意义。

发明内容

本发明首次提出一种氧化物衬底辅助的快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法。

一种氧化物衬底辅助的快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法，将金属箔片置于氧化物衬底上，并在金属箔片表面生长出高质量大尺寸单晶石墨烯。

优选的是，所述金属箔片不进行任何表面处理，即，将从公开商业途径获得的金属箔片直接用于本方法中而不需要做任何表面预处理。

优选的是，所述方法包括如下步骤：

(一)、将所述金属箔片置于氧化物衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入惰性气体，然后开始升温；

(二)、温度升至900～1100℃时，通入H₂气体，H₂流量为2～50sccm，进行退火过程；

(三)、退火结束后，开始通入CH₄气体，CH₄流量为0.5～50sccm，生长时间为1s～60min；

(四)、生长结束后，冷却至室温，即得到大尺寸单晶石墨烯。

优选的是，所述方法包括如下步骤：

(一)、将未进行任何表面处理的金属箔片置于氧化物衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为300sccm以上，然后开始升温，升温过程持续50～70min；

(二)、温度升至900～1100℃时，通入H₂气体，H₂流量为2～50sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为30～100min；