[发明专利]一种可控液态碳源化学气相沉积制备石墨烯的方法及装置

说明书

一种可控液态碳源化学气相沉积制备石墨烯的方法及装置，属于材料制备技术领域。该方法首先将液态碳源分散于高分子基体中形成溶胶态碳源，通过碳源进给器使碳源蒸汽与载气混合并在反应器中进行反应；反应气氛中碳源含量可简便地通过调节气流参数及加热温度来控制,从而实现大面积连续的单、双层石墨烯的制备。单层石墨烯的覆盖面积接近100％，双层石墨烯的覆盖面积在80％以上。所制得的石墨烯质量高，均匀性好，面电阻约500Ω/sq。本发明的液态碳源进给方法安全、成本低，采用的高分子基体可以重复利用。本发明的化学气相沉积反应装置，解决了液态碳源进给困难的问题，以便携的碳源进给器替代传统高压碳源气瓶，使工艺更加简单且降低了成本。

技术领域

本发明涉及一种可控液态碳源化学气相沉积制备石墨烯的方法及装置，属于化学气相沉积制备石墨烯技术领域。

背景技术

自2004年被发现以来，石墨烯因其优异的性能而备受人们关注。通过胶带机械剥离获得的单层石墨烯晶片具有97.7％的透光率，载流子迁移率高达2×10⁵cm²/Vs(Morozov,S.V.；Novoselov,K.S.；Katsnelson,M.I.et al.Giant Intrinsic Carrier Mobilitiesin Graphene and Its Bilayer.Physical Review Letters 2008,100,016602)。然而，这种机械剥离的石墨烯，受其生产效率和尺寸的限制，仅限于实验室微器件的研究。高成本、低质量同时制约了石墨烯的应用发展。若要实现石墨烯在新一代电子、光电子器件中的应用，首先需要研发出高质量石墨烯行之有效的低成本、大面积制备方法。在现有的石墨烯制备方法中，化学气相沉积法最能有效地实现大面积高质量石墨烯的制备。在化学气相沉积法制备石墨烯的过程中，碳源的选择直接影响整个制备工艺流程的设计和所得的石墨烯的质量。目前，常用的小分子气态碳源如甲烷(Li,X.；Cai,W.；An,J.；et al.Large-AreaSynthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils.Science2009,324,1312-1314.)、乙烯(Wang,Z.；Weinberg,G.；Zhang,Q.；et al.DirectObservation of Graphene Growth and Associated Copper Substrate Dynamics by inSitu Scanning Electron Microscopy.ACS Nano 2015,9,1506-1519)等，具有结构简单、进给流量可控的优点，易实现高质量石墨烯的制备。但是高纯气体价格昂贵，且易燃易爆具有较高的危险性。目前，各种含碳物质被做为碳源来替代甲烷。固态高分子结构相对复杂，高温裂解不充分或碳源本身结构的缺陷都将降低石墨烯产物的质量(Sun,Z.；Yan,Z.；Yao,J.et al.Growth of graphene from solid carbon sources.Nature 2010,468,549-552.Lee,E.；Lee,H.C.；Jo,S.B.et al.Heterogeneous Solid Carbon Source-AssistedGrowth of High-Quality Graphene via CVD at Low Temperatures.AdvancedFunctional Materials 2016,26,562-568.)。