[发明专利]一种在绝缘衬底上制备石墨烯枝晶的方法

说明书

本发明涉及一种在绝缘衬底上制备石墨烯枝晶的方法，属于微电子材料技术领域，先将绝缘衬底清洗，吹干；将衬底放入CVD管式炉中的石英内管外壁，管式炉抽真空，升温至200℃～300℃，通入氢气，温度升高至800℃～900℃时恒温刻蚀衬底表面；氢气刻蚀后缓慢升温，升温至1050～1080℃，恒温，通入碳源和氢气，进行石墨烯生长；生长结束，停止通入气体，先降温至700℃～800℃，再自然降温到室温。石墨烯枝晶的形态为树枝状，在枝干的顶端分布，通过对制备方法中甲烷的通入量，甲烷与氢气的比例等条件的控制实现了石墨烯在绝缘衬底上生长为枝晶状的结构。枝晶状石墨烯相较于网状石墨烯具有更优的力学和电学性能。

技术领域

本发明属于微电子材料技术领域，具体涉及一种在绝缘衬底上制备石墨烯枝晶的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子以sp2杂化紧密排列而成的蜂窝状晶体结构，是只有单原子层厚度的二维材料。2004年由英国的两位科学家Geim和Novoselov通过机械剥离高定向热解石墨(HOPG)而成。石墨烯也是构成其他材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯、卷曲成一维的碳纳米管和堆叠成三维的石墨。石墨烯独特的结构决定了其独特的性质。理想的石墨烯材料在室温下电子迁移率可以达到200000cm²/(V·s)；高的比表面积；在室温下热导率为5000W/(m·K)；高透光率，单石墨烯的透光率可达97％；强度高，是世界上强度最高的材料，这些优异的优异的电学、力学、光学及热学等性质决定了石墨烯在透明电极，场效应晶体管和储能器件等应用上具有广阔的前景。

经过科学家们多年的探索，石墨烯的制备方法已经发展了多种，包括：机械剥离法；碳化硅(SiC)外延生长法；氧化还原法和化学气相沉积法(Chemical vapordeposition,CVD)。其中，化学气相沉积法因为成本低，工艺流程简单易行等优点成为制备大面积，高质量的石墨烯的一条有效途径，其主要原理是利用甲烷(CH₄)等含碳气体为碳源，在高温下碳源分解进行化学反应生成石墨烯。

枝晶是指一种非平衡态下生长的类似于树枝状的晶体形态。枝晶在自然界中很常见，比如雪花就是一种枝晶，很多金属和合金也会出现枝晶的形态。在材料领域，由于枝晶具有更大的比表面积，导电性能好等优点在传感、催化等领域引起了科研工作者的关注。

石墨烯枝晶可以看做石墨烯的一种衍生物。目前为止，关于石墨烯枝晶的报道还很少。传统的石墨烯制备多以制备薄膜状的石墨烯为主，而薄膜状的石墨烯的电学性能等方面弱于石墨烯枝晶。

中国专利CM103172058A公开了一种三维网状石墨烯的制备方法，在氧化石墨溶液的两端插入电极，为电极施加正负脉冲电压后，氧化石墨将在同一电极上经历正脉冲电压吸附，负脉冲电压还原两个过程，氧化石墨粒子在电极表面被吸附并还原，并以树状形式向上生长，最终堆积形成三维网状石墨烯。该专利是利用氧化石墨为原料，通过信号发生器向氧化石墨中的两端电极施加正负脉冲电压从而将氧化石墨还原吸附而成。该方法所用的原料氧化石墨含有氢、氧等元素，在还原的过程中由于反应不充分很容易造成样品污染，且氧化石墨的结构比较复杂，粒子层较厚，枝晶易堆积在一起，形成三维网状石墨烯。

中国专利CN103834993A公开了一种石墨烯枝晶的制备方法及其石墨烯枝晶，在氧化石墨烯溶液的两端施加方波电信号后，通过调控占空比、频率、电压，使得实际使用的电流密度超过极限电流密度，扩散过电位急聚增大，电极附近将严重缺乏氧化石墨烯粒子，只有粒子能达到的部分晶面以须状的枝晶继续长大，即为石墨烯枝晶。该方法同样不可避免氢，氧等杂质元素对石墨烯枝晶样品的污染。