[发明专利]一种精确减薄并获得高质量少层或单层石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种精确减薄并获得高质量少层或单层石墨烯的方法，能 对多层石墨烯或厚层石墨片的层数进行剪裁并保持减薄后少层或单层石墨 烯的高质量，主要应用于生产高质量的少层和单层石墨烯以及石墨烯器件。 属于二维材料石墨烯领域。

背景技术

自2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授AndreGeim用一种简单 易行的胶带分离法制备出了二维层状材料石墨烯，迅速引发了全世界的研 究热潮。凭借着在石墨烯方面的创新研究，AndreGeim教授和他的学生 KonstantinNovoselov于2010年被授予了诺贝尔物理学奖。在微观结构上, 石墨烯是一种由碳原子以SP²杂化轨道组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄 膜结构，而在原子尺度上其结构十分特殊，只能用相对论量子力学才能描 绘。由于结构上的特殊性，使得石墨烯拥有了其它材料所不具备的特殊性 能，如高电子迁移率，高硬度，具有优良的导热性能以及拥有超大比表面 积。因此石墨烯在下一代晶体管、传感器、透明导电极、柔性显示屏等领 域有着巨大的潜在应用。

在工业生产线上与实验室里，常规的石墨烯制备方法包括：微机械剥 离、在过渡金属上的化学气相沉积(CVD)、热解碳化硅(SiC)以及化学插层 法，以上这些常规石墨烯制备工艺都存在石墨烯层数难以精确控制的问题。 微机械剥离即胶带分离法，虽然能够提供高质量的样品，但是缺乏对样品 厚度的控制，转移到Si或者SiO₂基底上以后往往是很厚的石墨片层、多层 石墨烯和单层石墨烯并存，是一种效率比较低下的方法；CVD和热解SiC 能够制备大面积的石墨烯材料，但是生长过程中的层数的控制是比较困难 的，有些工艺过程只能得到单层，有些只能得到多层；化学方法制备的石 墨烯多为具有大量缺陷的石墨烯氧化物，并且同样存在厚度难以控制的问 题。然而，石墨烯的电子结构与层数密切相关，石墨烯器件的性能直接由 其层数决定，因此在石墨烯器件的制备过程中，精确地控制石墨烯的层数 具有非常重要的意义。

经过对现有技术文献的调研发现，目前只有两种公开的精确减薄石墨 烯的方法。Dimiev等人在《Science》(科学)第331卷(2011)1168-1172 页报道了一种单原子层精度减薄石墨烯的方法：首先在石墨烯表面溅射几 个纳米厚度的金属锌破坏顶层石墨烯的晶格结构，然后在稀盐酸溶解掉金 属锌层和顶层石墨烯层，保留底层石墨烯的完整，从而实现单原子层精度 的石墨烯刻蚀。这种方案需要在石墨烯表面蒸镀金属，并且在剥离顶层石 墨烯的过程中引入了化学试剂，而化学试剂与石墨烯的直接接触必然减低 石墨烯的性能。另外，杨喜超等人于2011年发明了一种逐层减薄石墨烯的 方法(发明专利号：CN102344132A)：首先利用等立体灰化技术，用等离 子体轰击多层石墨烯，然后在高温炉中退火以去除顶层石墨烯，实现高精 度的减薄石墨烯。这种方案不仅在石墨烯表面引入大量的空位缺陷或空位 缺陷族，虽然在后续退火中能剥离掉，但是不可避免会有所残留从而降低 减薄后石墨烯的质量；另外这种方案每次只能减薄单层，效率比较低下， 如要一次减薄多层需要多次重复等离子灰化和高温退火的工艺，增加了工 艺的处理时间，尤其是高温退火时升温的时间。

发明内容

本发明针对上述背景中所阐述的现有制备单层和薄层石墨烯的技术方 法中的不足，提出一种精确减薄并获得高质量少层或单层石墨烯的方法， 以解决传统制备少层或单层石墨烯方法中存在的效率低下、生产规模小、 晶格缺陷较多的问题。其特征在于采用惰性的低密度低压氩气等离子体产 生的离子轰击效应对石墨烯外层进行物理刻蚀，不引入任何杂质，刻蚀掉 的石墨粉末随气体排出，只留下纯净均匀的石墨烯，由离子轰击效应引起 的缺陷可由高温退火修复从而获得高质量的少层或单层石墨烯。

本发明是根据以下技术方案实现的，首先在真空环境下对多层石墨烯 或厚层石墨片样品进行低压低密度氩气等离子体刻蚀，控制刻蚀速率和刻 蚀时间，实现精确减薄，然后将减薄后的样品在氮气保护下进行高温退火， 修复由等离子体刻蚀产生的表面缺陷，从而获得高质量的少层或单层石墨 烯。

所述的多层石墨烯或厚层石墨片，是指利用机械剥离制备的多层石墨 烯或厚层石墨片，或CVD方法在不同基底上制备的石墨烯，或CVD方 法制备后转移到其他基底上的石墨烯，或SiC热解制备的石墨烯，以及其 他两层及两层以上厚度的石墨烯。