[发明专利]一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法

说明书

本发明属于石墨烯合成技术领域，具体涉及化学气相沉积法合成单层大尺寸单晶石墨烯材料的方法。向化学气相沉积系统中通入预先配置好的标准混合气体，所述标准混合气体为高纯甲烷、高纯氢气和高纯氩气的混合气，在铜箔表面进行化学气相沉积生长获得大尺寸单晶石墨烯；其中甲烷作为石墨烯生长的碳源，所述铜箔作为石墨烯的生长催化基底。本发明通过改变化学气相沉积系统混合气体的供气方式，从而提高反应混合气的纯度，最终达到高重复率快速制备大尺寸单晶石墨烯的目的。

技术领域

本发明属于石墨烯合成技术领域，具体涉及化学气相沉积法合成单层大尺寸单晶石墨烯材料的方法，更具体地，涉及一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法。

背景技术

近年来，石墨烯的制备与各项性能研究取得了相当大的进展，日趋成熟的技术进步让石墨烯的潜在应用成为可能。实现石墨烯材料大规模应用的前提，就是低成本的制备大面积高质量石墨烯薄膜。其中，最主要的难点在于如何快速获得大尺寸的单晶石墨烯。必要条件中除了有效控制晶核形成的密度，还需要兼顾较快的制备速度，以及高重复率，这些都是降低生产成本的关键因素。

目前降低石墨烯成核密度，提高生长速率的方法包括以下几种：

(1)在生长前对铜箔进行抛光，高温退火，纯氩气或者微量氧气表面处理，降低铜表面的粗糙度，以及成核活性位点的密度，来降低成核密度。

(2)在表面使用微量的氧，或者分段多步骤分别控制成核与生长，实现甲烷分子的快速分解来提高生长速度。

另一方面，现有方法制备大尺寸单晶石墨烯重复性差。在相同的实验条件下，如温度、生长时间和各种气体配比完全一致的情况下，重复生长石墨烯的结果存在很大差异。对于厘米级尺寸的单晶石墨烯而言，每平方厘米的成核数需控制在4个以下。而实际生长过程中，成核密度会在4－20之间波动。

现有的各种方法，需要在生长前进行较长时间的处理，虽然提高了石墨烯的生长速度，但整个工艺流程的时间仍然较长，不能有效降低石墨烯的制备时间，不能在保持高重复率的条件下，同时有效降低成核密度与生长速度。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的问题，深入研究影响大尺寸单晶石墨烯快速、稳定生长的本质因素，结合分析化学气相沉积系统中微量氧化性杂质对生长稳定性以及成核密度与生长速度的影响，提供了一种操作简单、效率高、制备时间短的稳定、快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法，向化学气相沉积系统中通入预先配置好的标准混合气体，所述标准混合气体为高纯甲烷、高纯氢气和高纯氩气的混合气，在铜箔表面进行化学气相沉积生长获得大尺寸单晶石墨烯；其中甲烷作为石墨烯生长的碳源，所述铜箔作为石墨烯的生长催化基底。

优选地，甲烷在所述混合气体中的体积百分数为0.002－0.005％，氢气在所述混合气体中的体积百分数为1.17－4.5％。

优选地，所述化学气相沉积的温度范围为1050－1070℃。

优选地，所述的制备方法，具体包括如下步骤。

(1)金属铜箔的升温：将清洗干净且干燥的铜箔置于化学气相沉积系统中，通入高纯氩气，在30－60分钟内升温至1050－1070℃，并保持该温度范围为10－30分钟；

(2)大尺寸单晶石墨烯的生长：接着向步骤(1)所述化学气相沉积系统中通入甲烷、氢气和氩气混合标准气，使甲烷占该系统中混合气的体积百分数为0.002－0.005％，氢气在所述混合气氛中的体积百分数为1.17－4.5％，在1050－1070℃使石墨烯生长1至8小时后降温，得到生长在铜箔表面的大尺寸单晶石墨烯。

优选地，所述清洗干净且干燥的铜箔通过如下处理步骤获得：采用体积比为1:1:1的乙酸、乙醇和去离子水的混合溶液浸泡后，用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干。