[发明专利]一种用于制备高质量石墨烯的衬底及其制备方法

说明书

本发明涉及新材料领域，具体公开了一种用于制备高质量石墨烯的衬底及其制备方法，所述的衬底为采用电弧熔炼法制备FeCoNiCu_n高熵合金块，通过机械打磨、抛光、清洗和退火获得FeCoNiCu_n高熵合金薄片；利用该薄片作为衬底，利用CVD法生长石墨烯，获得具有连续性好、晶化程度高、缺陷和褶皱数量少的高质量石墨烯；利用本发明所提供的衬底制得的石墨烯，无需聚合物辅助即可转移至SiO₂/Si片上，轻松实现石墨烯的表征与器件应用。

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体公开了一种用于制备高质量石墨烯的衬底及其制备方法。

背景技术

化学气相沉积(CVD)法是生长二维材料的重要方法，已经发展了十年之久，采用CVD法生长石墨烯，日趋成为制备大面积、高品质单晶或者石墨烯薄膜的最主要方法。然而，采用目前主流的化学气相沉积(CVD)法制备的石墨烯薄膜普遍存在褶皱多的问题，这是因为石墨烯的热膨胀系数为负值，与衬底的热膨胀相反且数值相差较大，石墨烯在冷却过程时由于热膨胀差异产生内应力并于衬底之间发生滑移，从而形成褶皱。作为一种石墨烯内禀拓扑缺陷，褶皱的存在不仅会破坏石墨烯六边形对称晶格结构，降低石墨烯的导电性能，还会对石墨烯的力学、光学、热学等性能有着不同程度的影响。

研究表明，可通过控制生长基底的起伏幅度和热膨胀系数，实现少褶皱石墨烯或超平石墨烯的制备。如Byung Jin Cho等(Mun J H,Oh J G,Cho B J,et al.Wrinkle-freegraphene with spatially uniform electrical properties grown on hot-pressedcopper[J].Nano Research,2015,8:1075-1080.)引入热压对高纯Cu箔基底进行预处理，将Cu基底内部残余拉应力转变为压应力，以减弱晶界的影响，进而获得少褶皱石墨烯，但该方法需要在900℃下对Cu基底进行1小时热压处理，并要经过数小时的缓慢降温过程，能耗过高，而作为对照组的、不经热压的高纯Cu箔表面晶界较多，粗糙度较大，导致表面生长的石墨烯具有较多的闭合状褶皱；Hailin Peng等(Deng B,Pang Z,Chen S,et al.Wrinkle-Free Single-Crystal Graphene Wafer Grown on Strain-Engineered Substrates[J].Acs Nano,2017:12337-12345.)等采用磁控溅射法在蓝宝石表面制备了热膨胀系数较小的无孪晶Cu(111)单晶薄膜，以该薄膜为基底制备了少褶皱的超平石墨烯，然而该方法在溅射Cu(111)单晶薄膜前，需要在1000℃下对蓝宝石进行长达12小时的退火处理，使得石墨烯生长周期过长。

由此可见，有必要在以控制CVD生长基底的起伏幅度和热膨胀系数的基础上开发一种用于制备高品质石墨烯的衬底。

发明内容

本发明针对上述石墨烯常用衬底存在的诸多为题，提供了一种用于制备高质量石墨烯的衬底及其制备方法，所述的衬底为采用电弧熔炼法制备FeCoNiCu_n高熵合金块，通过机械打磨、抛光、清洗和退火获得FeCoNiCu_n高熵合金薄片；利用该薄片作为衬底，利用CVD法生长石墨烯，获得具有连续性好、晶化程度高、缺陷和褶皱数量少的高质量石墨烯；利用本发明所提供的衬底制得的石墨烯，无需聚合物辅助即可转移至SiO₂/Si片上，轻松实现石墨烯的表征与器件应用。

本发明的基础在于，发明人对衬底的材料进行了重新的选择和搭配，从中选择了FeCoNiCu_n n＝0.1-0.3作为衬底，更加优选FeCoNiCu_0.25作为衬底，并对其是否能形成均匀的单相高熵合金固溶体进行计算，结果如下：