[发明专利]一种利用纳米粉催化制备双层和/或多层石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种利用纳米粉催化制备双层和/或多层石墨烯的方法。该方法包括如下步骤：采用化学气相沉积法，在纳米粉的催化作用下，在过渡金属衬底上生长石墨烯，即可得到所述双层和/或多层石墨烯。本发明采用纳米粉作为催化剂，在铜衬底上长满单层石墨烯后，纳米粉可以继续提供催化作用裂解碳氢化合物，进一步为制备得到双层和/或多层石墨烯提供碳源，且纳米粉上不会沉积石墨烯，可再次重复回收利用，节约了制备成本。

技术领域

本发明涉及一种双层和/或多层石墨烯的制备方法，具体涉及一种利用纳米粉催化制备双层和/或多层石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种带隙为零的半金属材料，它像金属一样可以导电，但是没有自由电子。特殊的带隙结构和物理性质限制了它在半导体器件领域的应用，但随着层数增加，石墨烯的带隙在一定条件下会被打开。例如，双层石墨烯在外加电场的作用下带隙最高可达250meV。由于机械剥离法很难所获得的大面积、层数精确的双层石墨烯。因此利用化学气相沉积法制备双层石墨烯，一直是学者们研究的一个方向，但到目前为止，双层及多层石墨烯的覆盖度不高均一性不好。而在绝缘衬底上的双层石墨烯还局限在转移的方法上，转移对石墨烯的质量影响很大。不同的金属对碳的溶解量不同，当以高溶解量的金属(铁、镍)为衬底时，石墨烯的生长机制为析出-沉淀机制，此时很难控制石墨烯层数和均匀性；当以低溶解量的金属(铜)为衬底时，石墨烯的生长机制为自限生长，石墨烯盖满衬底后，没有后续的铜来催化裂解，便停止生长。目前单层石墨烯的生长技术已经很成熟，但仅仅通过转移来得到双层，石墨烯的堆叠方式没法保证，质量也不会很高。

在光电器件迅速发展的今天，碳基器件正以它独特的优势引起人们的广泛关注，石墨烯正是当下最火热的二维纳米材料，对于大面积高质量的双层石墨烯的需求愈发迫切，如何能更好的控制石墨烯的层数与堆叠方式，获得大面积层数可控的石墨烯，对人们之后的研究有着重大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用纳米粉催化制备双层和/或多层石墨烯的方法，该方法采用纳米粉作为催化剂，通过化学气相沉积法在铜箔表面制备得到大面积高质量的双层和/或多层石墨烯，解决了现有双层和/或多层石墨烯的生长问题。

本发明提供的一种利用纳米粉催化制备双层和/或多层石墨烯的方法，包括如下步骤：采用化学气相沉积法，在纳米粉的催化作用下，在过渡金属衬底上生长石墨烯，即可得到所述双层和/或多层石墨烯。

上述的方法中，所述纳米粉可为过渡金属纳米粉或过渡金属氧化物纳米粉。所述过渡金属纳米粉可为铜纳米粉、铁纳米粉、钴纳米粉和镍纳米粉中的任一种。所述过渡金属氧化物纳米粉可为氧化铜纳米粉、氧化铁纳米粉、氧化钴纳米粉和氧化镍纳米粉中的任一种。

上述的方法中，所述纳米粉的粒径可为0～100nm，但不为0，优选为10～50nm，具体可为10～30nm、50nm。

上述的方法中，所述纳米粉的使用量对所述多层石墨烯的生长效果无明显影响，所述纳米粉的添加量可为3～10mg，如5mg。

上述的方法中，所述过渡金属衬底是指具有催化性能过渡金属或其合金，包括但不限于：铜衬底、铂衬底、镍衬底、钌衬底、铑衬底、铱衬底、铼衬底、铁衬底、钴衬底、银衬底、钼衬底、钯衬底、铜镍合金衬底、铂铑合金衬底、镍钼合金衬底或镍钛合金衬底。所述过渡金属衬底可水平置于反应炉中；沿着碳源和载气的通入方向，所述纳米粉置于所述过渡金属衬底的前端。

上述的方法中，所述方法在得到所述多层石墨烯之后还包括回收所述纳米粉的步骤。由于纳米粉为颗粒状，裂解后的碳不易聚集在纳米粉上成膜，可重复使用，节省了制备成本。