[发明专利]一种利用硫束流解耦技术制备易剥离近自由态石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种利用硫束流解耦技术制备易剥离近自由态石墨烯的方法，本发明的方法在传统CVD制备石墨烯方法的基础上，采用双温区CVD管式炉进行，在管式炉的低温区放置硫源使硫蒸发以提供硫束流，通过控制反应温度和反应时间，使高温区的石墨烯和金属界面形成硫化层，硫化层的形成削弱了石墨烯与衬底的耦合作用，实现了石墨烯在金属衬底上的解耦，使石墨烯很容易从衬底上剥离，从而制备得到近自由态的高质量石墨烯。

技术领域

本发明涉及一种利用硫束流解耦技术制备易剥离近自由态石墨烯的方法，属于石墨烯制备技术领域。

背景技术

石墨烯是一种二维晶态材料，它由碳原子以sp²杂化方式组成蜂窝状点阵结构，这种独特的结构决定了石墨烯具备优异的电学、力学以及热学性能，在新型微纳电子器件和微弱光电探测器件等领域有着广阔的应用前景。目前发展了多种石墨烯的制备方法，其中广泛采用的化学气相沉积(CVD)法是利用甲烷等含碳化合物作为碳源，在经过具有催化活性的过渡金属表面化合物脱氢，游离的活性碳基团沉积下来，然后在衬底上再实现sp²重构，从而得到高质量的石墨烯。

目前CVD法制备石墨烯从生长机理上主要可以分为两种：(1)溶解析出机制：以Ni、Co等具有较高溶碳量的金属为代表，含碳化合物脱氢产生的碳原子在高温时渗入金属基体内，在快速降温时再从其内部析出成核，在衬底表面生长成石墨烯；(2)表面催化机制：以Cu、Mo和Pt等具有较低溶碳量的金属为代表，高温下含碳化合物脱氢生成的活性碳基团在金属表面达到一定的过饱和度，进而形核生长形成石墨烯晶畴，最终通过二维长大合并得到连续的石墨烯，所得产物质量高，可实现大面积生长，被广泛用于制备石墨烯晶体管和透明导电薄膜，该方法是实现石墨烯产业化的最为理想的途径。

然而，由于石墨烯晶格与金属衬底的不匹配，两种材料之间强烈的相互作用会损害石墨烯近自由态结构和电子特性。此外，CVD制备石墨烯的方法与传统半导体工艺不兼容，这使得CVD合成的石墨烯在实际应用时必须进行复杂的转移操作来恢复石墨烯的独立特性和目标衬底的更换。近年来，广泛被人们使用的石墨烯转移方法主要有湿法转移和电化学分层等方法。湿法转移是通过将整个催化剂衬底薄膜蚀刻溶解来释放二维石墨烯材料。这种方法操作复杂，会造成转移的石墨烯化学品或金属污染，从而对石墨烯的性能产生负面影响。而且，由于衬底材料在转移过程中被完全溶解，这大大增加了工业制备石墨烯的材料成本。电化学分层的转移技术不需要溶解催化衬底，主要通过电化学反应使石墨烯和过渡金属界面产生H₂鼓泡，从而使石墨烯实现剥离。但是这种方法的电化学产H₂效率很容易受限于电极材料，另外难以控制的H₂鼓泡会导致过度的表面张力，甚至严重破坏石墨烯薄膜的结构完整性。近年来，人们也逐渐研发了一些相对直接的机械剥离方法来转移石墨烯，比如中国专利文献CN109516454A公开了一种石墨烯的转移方法，该方法通过在石墨烯的表面旋涂聚合物溶液，以在石墨烯的表面形成聚合物薄膜；随后将石墨烯从生长基底上剥离并转移到目标衬底。这种方法在去除金属衬底时，使用了机械剥离的手段使石墨烯分层。目前尽管这种方法便捷，但由于石墨烯和过渡金属之间的强烈相互作用，直接的剥离极易造成石墨烯明显的撕裂和破损，很难获得大面积完整的石墨烯薄膜，也难以保证所获得的石墨烯呈现近自由态的电子结构特征。因此在直接机械剥离之前，采用一定的技术手段充分削弱CVD合成的石墨烯和衬底之间的相互作用，以制备得到近自由态的石墨烯是实现后续石墨烯大面积完整转移和应用的先决条件和关键步骤。

针对目前的缺陷和不足，有必要研发一种削弱石墨烯与衬底耦合作用的制备近自由态石墨烯的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种利用硫束流解耦技术制备易剥离近自由态石墨烯的方法。