[发明专利]石墨烯单晶及其快速生长方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种石墨烯单晶及其快速生长方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子经sp²杂化形成的单层或少层的二维晶体材料，具有优异的电学、光学和力学性质。自从被发现起，就引起科学界和产业界广泛重视。因为石墨烯中碳原子特殊的排列方式，其能带结构呈现为线性色散的狄拉克锥形，载流子的有效质量表现为零，所以其具有极高的电子和空穴迁移率，并逐渐成为硅基电子学器件的有力竞争者。另一方面，单层石墨烯的透光性达到97.7％，加上其优异的导电性，是一种非常理想的新一代透明导电薄膜的材料。

在现有的石墨烯制备方法中，化学气相沉积方法是制备大面积连续高质量的石墨烯薄膜材料的首选。但是传统的化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜的单晶畴区尺寸比较小，通常在微米级别，石墨烯单晶相互拼接处存在大量晶界。与其他二维材料类似，石墨烯优异的性质受到自身晶界和缺陷散射影响。因此提高石墨烯单晶畴区的尺寸，制备大单晶石墨烯，可以降低石墨烯薄膜中自身晶界的数量，可以保持石墨烯本身的优异电学性质，进而确保其在电子学器件等领域中的应用。

传统制备大单晶石墨烯薄膜的方法通常在高温下，以铜箔作为催化剂和材料生长基底，以极低的碳源供给和大量的还原气体，来降低石墨烯的成核密度，进而得到大单晶石墨烯构成的石墨烯薄膜，但这种方法由于碳源供给限制，石墨烯薄膜生长速度极慢，长时间的高温生长，带来大量能耗和气体消耗。因此如何快速制备大单晶石墨烯构成的石墨烯薄膜，有效降低能耗是高质量石墨烯规模化制备的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯单晶及其快速生长方法。

本发明提供的制备石墨烯单晶的方法，包括如下步骤：

将退火后的铜箔进行一次钝化，再在恒定温度的条件下，依次进行一次生长、二次钝化、二次生长，再降温至室温停止生长，得到沉积在铜箔上的所述石墨烯单晶；

其中，所述一次生长和二次生长步骤中，生长气氛均由还原性气体和碳源气体组成；且所述二次生长步骤中，碳源气体在所述生长气氛中的分压高于所述一次生长步骤中碳源气体的分压。

上述方法中，所述一次钝化和二次钝化的步骤中，钝化的温度均为980℃-1040℃，具体为1020℃；

钝化的方法均为向体系中通入氧气。

所述一次钝化的步骤中，钝化的方法为方法a或方法b；

所述方法a包括：关闭所述还原性气体，再通过外界向体系漏氧10min-60min，并使体系的真空度维持在1Pa-10Pa，具体可为3Pa；

所述方法b包括：关闭所述还原性气体和碳源气体，向体系中通入由氧气和氩气组成的混合气20min-60min；

所述方法b中，所述氩气和氧气的流量比具体为100000:1-1000:1，具体为10000:1；氩气的流量具体为100-1000sccm，对应的压强具体为10Pa-1000Pa，具体为100Pa；

一次钝化的目的是使铜箔的表面活性成核位点钝化，以减少石墨烯成核位点。

所述二次钝化步骤中，钝化的方法为方法c或方法d；

所述方法c包括：关闭所述还原性气体，再通过外界向体系漏氧10s-3min，并使体系的真空度维持在1Pa-10Pa，具体可为3Pa；

所述方法d包括：关闭所述还原性气体和碳源气体，向体系中通入由氧气和氩气组成的混合气10s-3min；

所述方法d中，所述氩气和氧气的流量比为100000:1-1000:1，具体为10000:1；氩气的流量为10-1000sccm，具体为100sccm；对应压强为10Pa-1000Pa，具体为100Pa。

二次钝化的目的是钝化铜箔表面剩余活性位点，抑制后续的自发成核，并使原有的石墨烯核保持活性。

所述还原性气体均为氢气；

所述还原性气体的流量均为20sccm-1000sccm，具体为200sccm；对应的压强为20Pa-1000Pa，具体为200Pa；

所述碳源气体均选自甲烷、乙烯和苯中的任意一种；

所述碳源气体的流量为0.1sccm-1sccm，具体为0.2sccm；对应的压强为0.Pa-1Pa，具体为0.2Pa。

所述碳源气体的纯度均不低于99％；

所述一次生长步骤中，所述还原性气体和碳源气体的流量比为100-5000：1，具体为1000：1；

所述二次生长中，所述还原性气体和碳源气体的流量比为20-1000：1，具体为300:1；