[发明专利]大尺寸Cu(111)单晶铜箔和超大尺寸单晶石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大尺寸Cu(111)单晶铜箔的制备方法，，还涉及一种超大尺寸单晶石墨烯的制备方法。

背景技术

2009年Rouff等人首次发现，利用化学气相沉积法(CVD)，以铜箔作为基底及催化剂，可以有效地获得高质量的单层石墨烯。这种方法过程简单、操作容易、成本低，通过调控实验条件，可以获得较大尺寸的单晶石墨烯，且获得的石墨烯易于转移到其他衬底上。基于这些优点，利用CVD法在铜箔上生长石墨烯备受瞩目。

然而CVD制备的石墨烯的存在一个很大的问题，即合成的石墨烯多为多晶结构。而晶界的存在会很大程度地降低石墨烯的迁移率，阻碍其在电子器件领域的应用。当前降低晶界密度或者生长大尺寸单晶石墨烯成为石墨烯CVD生长研究的一个热点问题。为解决这个问题，必须了解石墨烯的生长过程。石墨烯在铜表面的生长分为三步：(1)含碳气体在表面铜原子的催化作用下脱氢裂解；(2)当表面碳原子达到一定浓度后，触发形核过程；(3)碳原子扩散到形核点附近参与反应，晶核进一步长大。随着晶核的长大，多个晶核彼此融合形成连续的石墨烯膜。若相互融合的晶粒具有不同的取向，晶核融合区域形成晶界。基于对生长过程的理解，为降低晶界密度或者生长大尺寸单晶石墨烯，控制成核密度以及晶核取向最为关键。

当前CVD法生长石墨烯所用的铜箔通常为多晶铜箔，铜箔不同的晶体取向、缺陷、粗糙度以及晶界均会对石墨烯的质量有很大的影响。晶界及缺陷处往往会成为优先形核点，因此铜箔的晶界及缺陷密度会在一定程度上决定石墨烯畴区的大小。研究者通常采用化学抛光或退火来消除铜箔表面的缺陷。这些表面处理方法可以有效地消除铜箔表面的点缺陷密度，然而并不能很明显的降低晶界密度。利用单晶铜箔就可以极大地消除晶界的影响。另一方面，铜箔的取向也对石墨烯的生长有很大的作用。因此，寻找一种有效手段获得大畴区单晶铜箔，如单晶Cu(111)面，并利用CVD方法实现制备大尺寸单晶石墨烯及其它二维材料，对于二维材料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单晶铜箔的制备方法，对金属元素掺杂的多晶铜箔进行退火获得大尺寸Cu(111)单晶铜箔。

本发明还提出一种单晶石墨烯的制备方法，选用金属元素掺杂的多晶铜箔作为衬底，通过退火获得Cu(111)单晶铜箔，并在制备出的Cu(111)单晶铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯。一种制备超大尺寸单晶石墨烯，所述超大尺寸单晶石墨烯是由上述方法所制备，所述超大尺寸单晶石墨烯尺寸与Cu(111)单晶一致，径向尺寸为1～5cm。

本发明利用掺杂了金属元素的多晶铜箔作为原料，利用特殊的退火工艺制备出超大尺寸单晶Cu(111)，然后利用常压化学气相沉积法，以Cu(111)做为衬底，获得超大尺寸高质量单晶石墨烯。本发明提出的方法，解决了单晶Cu(111)价格极为昂贵，石墨烯大单晶生长过程复杂的问题，通过非常简单的方法，实现了高质量大尺寸的单晶Cu(111)和单晶石墨烯样品的制备。

本发明的优点在于：

1.本发明首次提出铜箔中金属杂质可以促进超大尺寸单晶Cu(111)的制备；

2.本发明选用商业上可以购买的掺杂了金属元素的多晶铜箔作为原料，不需要对铜箔进行复杂的表面预处理，就可以制备出超大尺寸单晶Cu(111)，极大地降低制备成本；

3.本发明只需将制备出的Cu(111)单晶作为生长衬底，即可制备出超大尺寸单晶石墨烯，不需要其它任何特殊的处理；

4.本发明提供了一种制备超大尺寸单晶石墨烯的方法，制备出的石墨烯单晶尺寸大，缺陷少，质量高，在微纳米电子器件领域具有良好的应用前景；

5.本发明方法简单、有效，成本低，有助于大尺寸单晶Cu(111)及单晶石墨烯的实际应用及工业化生产。

附图说明

图1a为对金属元素掺杂的多晶铜箔退火制备的大尺寸Cu(111)单晶。图1b为制备的铜单晶正反面的X射线衍射(XRD)结果。图1c为制备的铜单晶的背散射电子衍射(EBSD)结果。图1d为制备的铜单晶的低能电子衍射(LEED)结果。图1b、1c、1d三种结果均表明铜箔为Cu(111)单晶。

图2为用退火得到的Cu(111)单晶作为衬底生长出的石墨烯的表征结果。图2a-2b为随着时间延长石墨烯畴逐渐连接在一起，形成超大尺寸单晶石墨烯。图2c-2d分别为石墨烯和Cu(111)典型的LEED结果，可以看到石墨烯和Cu(111)取向一致。

图3为单晶石墨烯样品的拉曼光谱。

具体实施方式