[发明专利]一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯薄膜的制备技术领域，尤其涉及一种批量多衬底制备石墨 烯薄膜的方法。

背景技术

石墨烯是碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂巢状结构，仅一个原子层厚的二 维晶体。2004年，AndreGeim和KonstantinNovoselov等人发现稳定存在的单 层石墨烯，也因其在石墨烯方面的开创性工作而获得2010年诺贝尔物理学奖。 近年来，石墨烯在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋 的性能和潜在的应用前景，吸引了科学界和工业界的广泛关注。石墨烯具有优异 的力、热、光、电等性质。石墨烯常温下的电子迁移率超过15000cm2/V·s，超 过碳纳米管和硅晶体，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银的更低，是目前世上 电阻率最小的材料。而其高达97.7％的全波段透光率是其他导电材料难以匹敌的。

近年来，石墨烯在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人 振奋的性能和潜在的应用前景，吸引了科学界和工业界的广泛关注。目前，工业 上普遍采用化学气相沉积(CVD)法作为制备大面积石墨烯的方法，但是对于 批量制备的方法都很难突破，依靠各种夹持结构的载具同时制备多片石墨烯又大 大增加了整体负载，减小了样品数量，导致生产效率低下，而且制备出的石墨烯 薄膜均匀性不好，层数难以控制，从而导致石墨烯薄膜整体的电学性能远远低于 理论值。

公开号为CN104131266的专利文件公开了一种可批量制备薄膜材料的方法 及类似装置，通过该方法可在衬底上进行沉积或喷镀等方法批量进行石墨烯薄膜 的制备，但该方法需要依赖双面加热的设计方法和装置，这种夹具结构复杂，且 所需的石墨烯生长温度较高，所制得的石墨烯薄膜层数较少，双面多衬底在高温 下容易存在层间粘连的问题。

发明内容

为了克服上述背景技术中的不足，本发明提供了一种批量多衬底制备石墨 烯薄膜的方法，该方法步骤如下：

(1)基底高温退火：将金属基底在温度900℃-1050℃下进行退火处理30min 以上，并冷却至室温；

(2)涂布碳源：在金属基底上涂布一层碳源溶液，并烘干溶液至固化；

(3)放样品：将涂有固态碳源的金属基底切成适合CVD反应腔体尺寸的大 小，并层状堆叠好；

(4)石墨烯成核：将涂有碳源的多层金属基底一并放入CVD反应腔体中， 温度升高至碳源的分解温度，碳原子重新组合，进入石墨烯成核阶段；

(5)薄膜生长：碳源分子扩散至整个金属基底上，在石墨烯晶核周围扩散并 继续外延生长，形成石墨烯薄膜；

(6)冷却：将基底和石墨烯进行冷却降温，完成石墨烯薄膜的制备。

本发明所涉及的金属基底可以为Cu，Ru，Ni，Ir，Pt等中的一种或者两种 的合金。

本发明所涉及的碳源溶液可以是碳氢或者碳氢氧的聚合物碳源，即聚丙烯酸 酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的共聚物或者聚醚，聚酯， 聚烯烃等。

本发明所涉及的涂有固态碳源的金属基底的层数为单层或2～100层中的任 意层数。

本发明所公开的一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法，采用多衬底上的固 态碳源来批量制备石墨烯，多层衬底可以密集堆积，省略了多衬底制备必须的夹 具结构；精密控制碳源浓度，通过碳源涂布量控制石墨烯薄膜的层数，在生长过 程中除去了现有CVD方法中气体碳源和氢气的成本；降低石墨烯生长温度，使 碳原子在400～500℃的温度下扩散生成石墨烯薄膜，减少了升降温时间和能源损 耗，具有工业化优点。

附图说明

图1为本发明所涉及的石墨烯薄膜制备方法的技术流程图。

图2为具有涂布均匀的PMMA的铜箔堆叠在一起的示意图，其中，1为碳 源涂层，2为金属基底。

图3为铜箔上生长的石墨烯转移到PET上的方块电阻分布图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法，该方法的技术流程 如图1所示，包括金属基底退火，涂布固态碳源，固化碳源，多衬底堆放，碳源 分解成核，石墨烯生长成膜和冷却过程，具体步骤如下：