一种石墨烯-氮化硼异质相复合薄膜材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-氮化硼复合二维原子层薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]自2004年首次用机械剥离法制得石墨稀，全世界掀起了研究石墨稀及其他二维(2D)材料的热潮，已成功制备多种2D材料，如六方氮化硼(h-BN)、硫化钼、钴酸锂、硅烯、锗烯及砷烯和锑烯等。石墨烯率领的2D材料具有许多宏观体材料所不具备的特殊性能。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的材料，几乎完全透明，单层只吸收2.3%的光；热导率高于碳纳米管和金刚石，常温电子迀移率超过碳纳米管或硅晶，电阻率比铜和银更低，是世上导电性最好的的材料。六方氮化硼h-BN也是类似石墨烯的平面六角蜂巢结构，具有媲美石墨稀的尚热导率；比石墨稀更尚的化学稳定性，在空气中，1000 C不发生氧化，而石墨稀600°C发生氧化；h-BN是绝缘体，介电常数3-4，击穿电压0.7V/nm，与氧化硅接近，是是石墨烯非常好的基底材料，与氧化硅基底相比，h-BN原子在平面内成键，垂直方向没有任何悬键，表面平整度达到原子级，能够减少界面对电子的散射，可以使石墨烯电子迀移率提高一个数量级。六方氮化硼和石墨烯的二维复合薄膜材料将在未来纳米二维电子器件制备中具有广阔的应用前景。
[0003]石墨烯最常用也最具有应用前景的制备方法是化学气相沉积法(CVD法)。该方法石墨烯生成于金属催化剂表面，采用聚合物作为支撑，溶解去除金属催化剂最终转移至至目标衬底。h-BN 二维薄膜合成方法中研究最多的是CVD法，期望通过CVD法获得高质量、大尺寸、原子层数可控h-BN原子层薄膜。在上世纪70年代左右，已用CVD法成功合成h-BN[10-ll]，当时的研究主要关注氮化硼体材料的结构和性能。1995年Nagashima等人用环硼氮烷在超高真空、高温条件下，在金属表面外延生长了 h-BN单原子层，发现h-BN的电子结构与生长基底(镍、钯和铀)无关。2005年Preobrajenski等人在铜和镍基底上生长了单原子层h-BN，发现h-BN化学吸附在铜镍基底表面，h-BN与镍之间的化学键比较强，与铜之间的化学键比较弱。2010年，受石墨稀制备启发，A jay an等人首次用CVD法在金属铜箔表面制备出大尺寸多原子层h-BN薄膜，并成功将h-BN薄膜转移至其它基底表面。
[0004]综上所述，通过化学气相沉积法可以在金属催化剂基底表面合成单一种类的石墨烯或氮化硼。虽然石墨烯表面生长氮化硼也有研究报道，生长方法是在金属催化剂表面生长的石墨烯表面上继续生长氮化硼，或在生长石墨烯的同时在金属催化剂表面同时生长氮化硼和石墨烯的混合物，但在氮化硼和金属薄膜催化剂两层之间的界面处生长石墨烯的方法还没有见报道。本方法是通过高温扩散析晶的方法在金属薄膜催化剂表面和二维氮化硼原子层两者界面处生长石墨烯，合成石墨烯/氮化硼异质相复合薄膜材料。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术的不足，提出了一种石墨烯-氮化硼异质相复合薄膜材料的制备方法。
[0006]本发明方法采用化学气相沉积法(CVD法)以过渡金属铜或镍催化剂为基底，高温保温后快速冷却，在金属催化剂薄膜表面制备1?5个碳原子层厚度的氮化硼薄膜，然后去除金属催化薄膜上下表面中的其中一个表面上的氮化硼，之后在去除氮化硼的金属表面上涂覆碳源，接着在还原气氛保护下升高到高温并保持一定温度后冷却，获得在金属催化剂薄膜表面生长的石墨烯-氮化硼异质相复合薄膜。
[0007]本发明一种石墨烯-氮化硼异质相复合薄膜材料的制备方法的具体步骤是:
[0008]步骤⑴、将金属片用浓度为0.5?1.5mol/L的盐酸浸洗5?10秒，去离子水清洗后用氮气吹干，放入电炉的石英管中；
[0009]所述的金属片的金属为铜、镍或铜镍合金。
[0010]步骤(2)、石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为1?3:2，将电炉温度升至900?1000 °C后保温5?30分钟。
[0011]步骤(3)、同时向石英管内通入硼氨烷蒸气，20?30分钟后关闭通入硼氨烷蒸气。硼氨烷蒸气通过水浴加热硼氨烷产生，水浴温度40?100°C。
[0012]步骤(4)、电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20?30°C /min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片。
[0013]步骤(5)、将金属片取出，金属片有两个表面，分别为上表面和下表面。用氯化铁的水溶液浸泡金属上表面10?60秒，然后用去离子水清洗。
[0014]步骤(6)、将步骤(5)获得的金属片上表面，涂覆碳源0.1?0.5g ;
[0015]所述的碳源为石蜡或碳粉。
[0016]步骤(7)、将步骤(6)获得的上表面有碳源的金属片，放入石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为5?15:10，将电炉温度升至900?1000°C后保温5?30分钟。
[0017]步骤(8).电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20?30°C /min,然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片。
[0018]步骤(9).将金属片取出，在金属片下表面表面旋涂PMMA溶液，PMMA溶液在空气中干燥5?30分钟形成PMMA薄膜黏附在金属片表面，然后浸入氯化铁溶液中溶解去除金属片，之后将漂浮在氯化铁溶液表面的PMMA薄膜转移至硅基底表面，接着将硅基底浸入丙酮中，经过30?180分钟，获得转移至硅片表面的石墨烯-氮化硼二维复合薄膜材料。
[0019]本发明的有益效果:本发明方法通过碳在金属中的高温溶解和冷却时的析晶，在氮化硼与金属基底之间生长石墨烯，形成石墨烯-氮化硼二维复合薄膜材料，制备的复合材料由于是直接生长获得，在生长和转移过程中石墨烯与氮化硼两者界面均未受到任何污染，制备的二维复合薄膜材料具有较好的电学性能。
【具体实施方式】
[0020]实施例1:
[0021]步骤(1).将铜片(3cm x 2cm x 0.05cm)用浓度为0.5mol/L的盐酸浸洗10秒，去离子水清洗后用氮气吹干，放入电炉的石英管中；
[0022]步骤(2).石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为1:2，将电炉温度升至900°C后保温30分钟；
[0023]步骤(3).同时向石英管内通入硼氨烷蒸气，20分钟后关闭通入硼氨烷蒸气。通入的硼氨烷蒸气是通过水浴加热得到，水浴温度40°C。
[0024]步骤⑷.电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20°C /min,然后关闭通入氢气和氩气，取出铜片。
[0025]步骤(5).将铜片取出，铜片有两个表面，分别为上表面A和下表面B。用氯化铁的水溶液浸泡铜片上表面A 10秒，然后用去离子水清洗。
[0026]步骤(6).将步骤(5)获得的铜片上表面A，涂覆石蜡0.lg。
[0027]步骤(7)将步骤(6)获得的上表面有碳源的铜片，放入石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为1:2，将电炉温度升至900°C后保温5分钟。