[发明专利]一种石墨烯薄膜及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种石墨烯薄膜以及制备方法与应用，所述制备方法具体步骤如下：1)基底分别进行物理除杂和化学除杂；2)将除杂后的基底置于CVD系统中，进行退火处理；3)将退火处理后的基底置于惰性气氛中，通入气体状的碳源和氢气，进行石墨烯的生长；其中，所述碳源的流量为1～10sccm；所述碳源与所述氢气的流量比为1:5～100。本发明所述的制备方法可制得高质量的单层或少层石墨烯薄膜，且石墨烯薄膜的生长速度快，可大大降低生产成本，推动了石墨烯在显示屏、电子器件和MEMS传感器等领域的广泛应用。

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备技术，具体涉及一种单层或少层的石墨烯薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化形式按正六边形排列构成的二维蜂巢状晶格，这种只有一个原子层厚度的二维平面晶体材料展现出一系列优越的特性，如亚微米量级的弹道输运、极高的载流子迁移率、优异的机械性能和导热性以及良好的光学特性和化学稳定性等。随着器件尺寸进一步缩小，石墨烯有望开启“后硅”时代新的碳基集成电路，在柔性电子器件、高频器件、存储器、传感器、透明导电薄膜、触摸屏和储能器件等领域展示了广阔的应用前景。高质量的材料时实现新物理和新应用的载体，因而石墨烯的材料制备也成为石墨烯研究中的重要问题。

目前制备石墨烯二维材料的方法可分为“自上而下”和“自下而上”两大类，自上而下制备方法如微机械剥离法、化学剥离法、激光刻蚀剥离法等，自下而上制备方法如化学气相沉积(CVD)、外延生长法、分子前驱体合成法等。剥离法是指利用机械、静电、电磁相互作用力将石墨烯从高质量石墨烯块体材料中剥离出来的一种简单、实用、有效的方法。该方法是目前制备高质量石墨烯的首选方法，但只适用于科学研究，无法用于批量生产。化学气相沉积(CVD)是目前制造单晶石墨烯和大面积多晶石墨烯的主要方法，所得石墨烯的质量很高，而且易于转移到各种基体上使用，被广泛用于石墨烯晶体管、透明导电薄膜等电子或光电子器件。目前CVD方法已逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单层或少层的石墨烯薄膜的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：

1)基底依次进行物理除杂和化学除杂；

2)将除杂后的基底置于CVD系统中，进行退火处理；

3)将退火处理后的基底置于惰性气氛中，通入气体状的碳源和氢气，进行石墨烯的生长；其中，所述碳源的流量为1～10sccm；所述碳源与所述氢气的流量比为1:5～100。

目前多数制备石墨烯的方法都无法快速获得单层或少层的石墨烯薄膜；若想获得单层或少层的石墨烯薄膜，通常采用浓度较低的碳源进行缓慢生长；该方法不仅生长时间长，成本也是非常高昂。而本发明通过基底材料的高度除杂以及生长条件的优化，可快速、高效的制备得到单层或少层的石墨烯薄层。

本发明采用物理除杂和化学除杂相结合的方式，再优化退化处理的方式，使其所述基底材料实现微纳米级别上的平整，为生长单层或少层的石墨烯单层提供保障。

其中，所述物理除杂包括超声波清洗、机械打磨、抛光中的一种或多种；

优选的，所述超声波清洗具体采用的超声频率为40～80KHz，超声时间为1～3小时，温度为20～30℃。

所述机械打磨、抛光具体选用浓度为0.3～0.5kg/cm²的氧化铝或者氧化硅的悬浮液，时间为30～100min。

优选地，所述物理除杂后，分别采用丙酮、乙醇、水进行清洗。

其中，所述化学除杂分别采用选自硫酸、盐酸、硝酸、醋酸、磷酸中的一种进行浸泡；

优选的，所述化学除杂采用的酸的浓度为1～18mol/L，浸泡的时间为1～5min；其中，强酸浸泡的时间稍短，偏弱酸浸泡的时间稍长。