[发明专利]一种石墨烯薄膜衬底的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯薄膜衬底的制备方法，方法包括以下步骤：步骤S1、对石英衬底进行预处理；步骤S2、将经过预处理的石英衬底置于磁控溅射靶材底座上，采用磁控溅射法于石英衬底上形成SiO2纳米颗粒；步骤S3、将经磁控溅射处理后的石英衬底放入退火炉中，在空气流动的条件下经退火处理即得。本发明还公开了一种以本发明制备的石墨烯薄膜衬底制得的石墨烯薄膜，本发明方法避免了打磨产生的SiO₂纳米颗粒不均匀的问题，本发明所制得的石墨烯薄膜缺陷少，sp3杂化少，薄膜质量更高，电阻更小。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种石墨烯薄膜衬底的制备方法及其应用。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子通过sp2轨道杂化构成的具有六角蜂窝结构且只有单原子层厚度的二维晶体材料，石墨烯拥有优异的物理、化学性质,如，室温下亚微米载流子平均自由程、高载流子迁移率、分数量子霍尔效应、高透光率和机械强度等。

衬底对于石墨烯的生长具有非常重要的作用，主要表现在三个方面：衬底催化碳源裂解的能力、衬底上碳迁移的能力以及石墨烯在衬底上成核的能力。与金属相比，玻璃表面以具有方向性和饱和性的共价键为主，这导致碳活性物种无法在表面形成良好的化学吸附，因而玻璃表面对于碳源裂解的催化作用非常有限，使得碳源裂解困难，石墨烯在玻璃表面的成核和生长较难进行；另一方面，由于碳原子在玻璃表面的迁移势垒要远高于金属表面，这极大地限制了碳物种在玻璃表面的迁移；普通玻璃的软化温度较低，不适合高温CVD生长石墨烯薄膜。因此，与金属相比，在玻璃表面的石墨烯生长普遍表现出较低的生长速率和较差的结晶质量。

研究表明，二氧化硅纳米颗粒的熔点比纯二氧化硅要低，较易发生碳热反应，从而达到催化的效果。现有技术中常用刮擦的方式获得纳米颗粒，但是利用砂纸与石英摩擦之后对石英表面损坏较大，会破坏石英表面原有的光透射率，并且所产生的表面形貌也不均匀。

发明内容

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：一种石墨烯薄膜衬底的制备方法，方法包括以下步骤：

步骤S1、对石英衬底进行预处理；

步骤S2、将经过预处理的石英衬底置于磁控溅射靶材底座上，采用磁控溅射法于石英衬底上形成SiO₂纳米颗粒；

步骤S3、将经磁控溅射处理后的石英衬底放入退火炉中，在空气流动的条件下经退火处理即得。

可选的，所述的预处理包括将衬底依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗。

可选的，所述的石英衬底包括石英玻璃衬底、SiO₂衬底、柔性超薄玻璃衬底、浮法玻璃衬底和普通玻璃衬底。

可选的，所述的磁控溅法的溅射功率为50～150W，磁控溅射时间为1～60min，氩气流量为30～60sccm，氧气流量为1～20sccm，磁控功率为50～150W，腔室压强为0～10pa。

本发明还公开了一种石墨烯薄膜，该石墨烯薄膜以本发明的石墨烯薄膜衬底的制备方法制得的石墨烯薄膜衬底为衬底。

可选的，所述石墨烯薄膜采用PECVD法于真空条件下制得。

可选的，所述真空条件的真空度小于10^-4Pa。

可选的，所述PECVD法的参数设置包括：升温速率10～30℃/min，氩气流量50～100sccm，甲烷流量为2～50sccm，氢气流量为0～40sccm，生长时间为1～100min。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明方法制备的石英衬底表面比金属衬底具有更好的表面状态，有利于高质量石墨烯薄膜的均匀生长。