[发明专利]一种在介电材料衬底上制备石墨烯的方法

说明书

一种在介电材料衬底上制备石墨烯的方法，1)在金属衬底上制备石墨烯薄膜；2)将金属衬底连同其上的石墨烯薄膜切割成小片；3)清洗介电材料衬底；4)将步骤2)小片上的石墨烯作为籽晶转移到介电衬底上，得到石墨烯籽晶/介电衬底；5)将石墨烯籽晶/介电衬底放入化学气相沉积系统中；6)打开真空泵，抽真空；7)通入惰性气体，将生长腔加热至1000℃～1300℃；8)通入氢气、碳氢化合物，促进石墨烯籽晶长大；9)待石墨烯生长完成后，关闭加热电源，关闭氢气和碳氢化合物流量计，使石墨烯/介电衬底冷却至室温；可直接在介电材料上制得了石墨烯样品，省去了金属衬底生长后转移的过程，工作量少，保护了石墨烯完整性和晶体质量，经济效益高。

技术领域

本发明属于功能薄膜材料技术领域，尤其涉及一种在介电材料衬底上制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化的碳原子组成的具有六边形蜂窝状结构、厚度仅为0.34nm的二维晶体材料。特殊的晶体结构赋予了石墨烯一系列优异的物理化学性质，如超高的载流子迁移率、高热导率、优异的导电性和透光性，以及高机械强度和高化学稳定性等，使得其在透明电极(TCEs)、超级电容器、场效应晶体管、光电探测、锂离子电池、生物传感器等诸多领域都具有广阔的应用前景。

目前，采用化学气相沉积(CVD)法在金属衬底上制备石墨烯是获得高质量石墨烯的最主要途径。为了制备石墨烯基电子器件，首先需要将石墨烯转移到介电材料表面。然而，在转移过程中石墨烯的完整性及优异的物理性能会受到损害，从而会影响石墨烯与介电材料结合的均匀性和稳定性，不利于石墨烯基电子器件的应用。因此，在介电材料表面直接制备石墨烯已成为了石墨烯制备及应用研究的热点。在采用CVD法在介电材料衬底上生长石墨烯的过程中，由于介电衬底材料，例如Si、SiO₂以及Al₂O₃等都缺乏对碳氢化合物物的高温催化性，使得衬底表面热裂解的活性碳原子浓度较低，不利于石墨烯的形核及长大，导致在介电衬底表面直接制备的多为纳米晶石墨烯。如此小的石墨烯晶畴尺寸会严重损害石墨烯器件的规模化制备及性能的均匀化，制约石墨烯基器件的性能及工业化应用进程。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在介电材料衬底上直接制备石墨烯的方法，通过该方法可以直接在介电材料表面制备出大尺寸的层数可控的石墨烯晶畴，具有工作量少，石墨烯完整性和晶体质量好，经济效益高的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种在介电材料衬底上制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

1)在金属衬底上制备石墨烯薄膜；

2)将金属衬底连同其上的石墨烯薄膜切割成小片；

3)对介电材料衬底进行清洗；

4)将步骤2)中小片上的石墨烯作为籽晶转移到介电衬底上，得到石墨烯籽晶/介电衬底；

5)将石墨烯籽晶/介电衬底放入化学气相沉积系统中；

6)打开真空泵，将化学气相沉积系统中的气压抽至0.05Pa以下；

7)通入一定流量的高纯惰性气体，并打开加热电源，将生长腔加热至1000℃～1300℃；

8)通入一定流量的氢气、碳氢化合物，并调节惰性气体的流量，保温一定时间，促进石墨烯籽晶长大；

9)待石墨烯生长0.1～6h，生长完成后，关闭化学气相沉积系统的加热电源，关闭氢气和碳氢化合物流量计，使石墨烯/介电衬底随炉冷却至室温；

10)待生长室温度降至室温后，取出，获得长有大尺寸石墨烯晶畴的介电材料衬底。

步骤1)所述的金属衬底采用原铜箔或氧化铜箔。