[发明专利]一种以六方氮化硼为点籽晶生长大晶畴石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种以六方氮化硼为点籽晶在衬底上生长大尺寸石墨烯晶畴的方法，该方法以氮化硼作为点籽晶生长石墨烯，有利于与石墨烯形成异质结，石墨烯沿着氮化硼籽晶的外沿继续原位生长，控制六方氮化硼溶液的浓度，确保石墨烯的成核密度，避免了传统CVD工艺在衬底上生长石墨烯非相关成核点的自重构，显著提高了石墨烯生长质量。

技术领域

本发明涉及一种以六方氮化硼为点籽晶生长大晶畴石墨烯的方法，属于石墨烯制备技术领域。

背景技术

石墨烯是由碳原子以sp2轨道杂化形成的六角形蜂巢晶格的原子级二维晶体材料，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨，也是构成其他维数碳材料的基本结构单元，可以包覆成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。石墨烯因其独特的结构决定了其具有良好的电学、力学、热学、光学等特性。石墨烯材料最高可以超过200,000cm²·v^-1·s^-1的理论电子迁移率以及室温下特有的量子霍尔效应，高的理论比表面积2600m²g^-1，还具有高热导率3000Wm^-1K^-1，和优良的力学性能，因此在场效应晶体管、集成电路、单分子探测器、透明导电薄膜、功能复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广阔的应用前景。

石墨烯的制备方法是获得高品质石墨烯薄膜的关键，石墨烯的结构及性能与石墨烯的制备技术有密切的关系。对石墨烯制备方式的研究是推动石墨烯产业化的重要环节。目前，石墨烯的制备方法主要有机械法和化学合成法。

机械法是利用胶带微机械剥离高定向热解石墨得到了二维石墨烯。2004年，英国曼彻斯特大学Geim和Novoselov所在小组首次利用胶带的粘合力，通过多次粘贴将HOPG鳞片石墨层层剥离，最后得到单层和少层的石墨烯。该方法简单易操作，产物质量高，但是重复性差、制备效率低、产量低、产品尺寸小，很难实现大面积和规模化生产。由于上述缺陷，得到的石墨烯主要用来研究石墨烯特性。

化学合成法主要包括碳化硅(SiC)外延生长法和化学气相沉积法(chemicalvapor deposition，CVD)。SiC外延生长法是利用硅的高蒸汽压，在高温(通常>1400℃)和超高真空(通常<10-6Pa)条件下使硅原子挥发，剩余的碳原子通过结构重排在SiC表面形成石墨烯。然而，这种方法条件苛刻，高温、高真空条件不好控制，并且存在安全隐患。并且高温SiC热裂解得到的石墨烯均匀性较差，存在明显的缓冲层，载流子迁移率不高，不利于微电子器件的应用。化学气相沉积法利用甲烷等含碳化合物作为碳源，经过具有催化活性的金属或者其余衬底的表面，化合物脱氢，游离的碳原子沉积下来，然后在衬底上再实现sp2重构，从而得到高质量的石墨烯。CVD法从生长机理上主要可以分为两种：(1)溶解析出机制：以Ni、Co等具有较高溶碳量的金属为代表，含碳化合物脱氢产生的碳原子在高温时渗入金属基体内，在快速降温时再从其内部析出成核，在衬底表面生长成石墨烯；(2)表面催化机制：以Cu、Mo和Pt等具有较低溶碳量的金属为代表,高温下含碳化合物脱氢生成的活性碳基团在金属表面达到一定的过饱和度，进而形核生长形成石墨烯晶畴，最终通过二维长大合并得到连续的石墨烯，所得产物质量高，可实现大面积生长，被广泛用于制备石墨烯晶体管和透明导电薄膜，该方法是实现石墨烯产业化生产的最理想途径。

中国专利文献CN104099577A公开了一种石墨烯的制备方法，该方法选用铜箔为金属基底，将铜箔基底放置在化学气相沉积反应炉中，在真空的条件下，将铜箔基底温度升至设置生长温度，之后向反应炉继续通入氦气，保持CVD中反应炉的压强为标准大气压，并向所反应炉中通入氢气和甲烷气体，生长结束后铜箔基底温冷却至室温。该方法虽能得到石墨烯薄膜，但是该石墨烯生长过程无诱导点诱导，为非相关点自发成核，得到的产物为多晶石墨烯，其存在大量的晶界，降低石墨烯的电化学性能。