[发明专利]石墨烯单晶薄膜及其制备方法

说明书

提供一种石墨烯单晶薄膜的制备方法，包括下述步骤：S1，在蓝宝石单晶基底上形成Cu(111)单晶薄膜；S2，在所述Cu(111)单晶薄膜上形成镍薄膜；S3，将镍/铜(111)/蓝宝石进行高温退火处理得到铜镍单晶合金层；以及S4，采用常压化学气相沉积在所述铜镍单晶合金层上生长所述石墨烯单晶薄膜。本方法可以制备4英寸尺寸的石墨烯单晶，有望为石墨烯电子器件的应用提供材料基础。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯单晶薄膜的制备技术领域，具体涉及利用铜镍单晶基底化学沉积形成石墨烯单晶薄膜及其制备方法。

背景技术

石墨烯由于其良好的物理化学性质，如超高的载流子迁移率、高的透光性、良好的机械性能等，受到了广泛的研究并且在透明导电薄膜、光电探测、催化、生物检测等领域显示了其潜在的实用价值。石墨烯诸多制备方法中，铜箔表面的化学气相沉积方法具有生长的石墨烯质量高、适用于宏量制备等诸多的优势。然而，由于石墨烯是二维层状材料，化学气相沉积制备过程中，石墨烯在生长基底上铜箔上多点成核，拼接成为多晶薄膜。石墨烯多晶薄膜内部存在大量的晶界，晶界的存在会严重地降低石墨烯的机械强度、电学迁移率、化学抗腐蚀能力等等性能。因此，制备超大单晶石墨烯薄膜，解决石墨烯生长过程中的晶界问题极其重要。制备大面积单晶石墨烯有两种典型的方法：第一，石墨烯在生长衬底上单一成核，然后外延长大；第二，石墨烯在外延衬底上取向一致成核，拼接成为一个单晶。相对而言，第一种方法制备石墨烯的速率极慢，不利于工业规模制备；第二种方法通常采用铜(111)单晶衬底，但是受限于铜(111)单晶衬底的尺寸。

第二种方法，也即通过“取向一致成核、无缝拼接”，是一种能实现规模批量制备的方法。常用的外延衬底主要有Ge(110)单晶和Cu(111)单晶。然而，Ge(110)单晶非常昂贵，而且尺寸较小；而Cu(111)单晶，由于铜的催化活性比较低，因此生长速度慢。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种制备石墨烯单晶薄膜的方法及该方法制备的石墨烯单晶薄膜。

一种石墨烯单晶薄膜的制备方法，包括下述步骤：S1，在蓝宝石单晶基底上形成Cu(111)单晶薄膜；S2，在所述Cu(111)单晶薄膜上形成镍薄膜；S3，将镍/铜(111)/蓝宝石进行高温退火处理得到铜镍单晶合金层；以及S4，采用常压化学气相沉积在所述铜镍单晶合金层上生长所述石墨烯单晶薄膜。

根据本发明的一实施方式，在所述S1步骤中通过磁控溅射在所述蓝宝石单晶的Al₂O₃(001)面上形成铜薄膜，然后退火形成铜单晶薄膜。

根据本发明的另一实施方式，所述S1步骤中所述退火在还原性气氛下进行。

根据本发明的另一实施方式，在所述S2步骤中通过磁控溅射形成所述镍薄膜。

根据本发明的另一实施方式，所述S3步骤中所述退火在还原性气氛下进行。

根据本发明的另一实施方式，所述铜镍单晶合金为Cu_xNi_1-x单晶合金，其中0.8≤x<1。

根据本发明的另一实施方式，0.8≤x<0.9。

根据本发明的另一实施方式，所述S1步骤之前对蓝宝石进行退火处理形成所述蓝宝石单晶基底。

根据本发明的另一实施方式，所述对蓝宝石进行退火处理是在氧化性气氛下进行。

本发明还提供一种石墨烯单晶薄膜，由上述方法制成。