一种以六方氮化硼为点籽晶生长大晶畴石墨烯的方法与流程

文档序号：11318201阅读：774来源：国知局

本发明涉及一种以六方氮化硼为点籽晶生长大晶畴石墨烯的方法，属于石墨烯制备技术领域。

背景技术：

石墨烯是由碳原子以sp2轨道杂化形成的六角形蜂巢晶格的原子级二维晶体材料，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨，也是构成其他维数碳材料的基本结构单元，可以包覆成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。石墨烯因其独特的结构决定了其具有良好的电学、力学、热学、光学等特性。石墨烯材料最高可以超过200,000cm²·v^-1·s^-1的理论电子迁移率以及室温下特有的量子霍尔效应，高的理论比表面积2600m²g^-1，还具有高热导率3000wm^-1k^-1，和优良的力学性能，因此在场效应晶体管、集成电路、单分子探测器、透明导电薄膜、功能复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广阔的应用前景。

石墨烯的制备方法是获得高品质石墨烯薄膜的关键，石墨烯的结构及性能与石墨烯的制备技术有密切的关系。对石墨烯制备方式的研究是推动石墨烯产业化的重要环节。目前，石墨烯的制备方法主要有机械法和化学合成法。

机械法是利用胶带微机械剥离高定向热解石墨得到了二维石墨烯。2004年，英国曼彻斯特大学geim和novoselov所在小组首次利用胶带的粘合力，通过多次粘贴将hopg鳞片石墨层层剥离，最后得到单层和少层的石墨烯。该方法简单易操作，产物质量高，但是重复性差、制备效率低、产量低、产品尺寸小，很难实现大面积和规模化生产。由于上述缺陷，得到的石墨烯主要用来研究石墨烯特性。

化学合成法主要包括碳化硅(sic)外延生长法和化学气相沉积法(chemicalvapordeposition，cvd)。sic外延生长法是利用硅的高蒸汽压，在高温(通常>1400℃)和超高真空(通常<10-6pa)条件下使硅原子挥发，剩余的碳原子通过结构重排在sic表面形成石墨烯。然而，这种方法条件苛刻，高温、高真空条件不好控制，并且存在安全隐患。并且高温sic热裂解得到的石墨烯均匀性较差，存在明显的缓冲层，载流子迁移率不高，不利于微电子器件的应用。化学气相沉积法利用甲烷等含碳化合物作为碳源，经过具有催化活性的金属或者其余衬底的表面，化合物脱氢，游离的碳原子沉积下来，然后在衬底上再实现sp2重构，从而得到高质量的石墨烯。cvd法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生产的最理想途径。

中国专利文献cn104099577a公开了一种石墨烯的制备方法，该方法选用铜箔为金属基底，将铜箔基底放置在化学气相沉积反应炉中，在真空的条件下，将铜箔基底温度升至设置生长温度，之后向反应炉继续通入氦气，保持cvd中反应炉的压强为标准大气压，并向所反应炉中通入氢气和甲烷气体，生长结束后铜箔基底温冷却至室温。该方法虽能得到石墨烯薄膜，但是该石墨烯生长过程无诱导点诱导，为非相关点自发成核，得到的产物为多晶石墨烯，其存在大量的晶界，降低石墨烯的电化学性能。

中国专利文献cn102897750a公开了一种石墨烯薄膜的制备方法，将预先合成的石墨烯薄膜小片放置在衬底上，然后在此衬底上以此石墨烯薄膜小片作为大面积石墨烯薄膜生长的诱导点，采用来自于含有碳原子的气体碳源、固体碳源、液体碳源或者其复合碳源材料而释放的碳原子来生长石墨烯薄膜。该方法虽然能够控制石墨烯的成核生长，但需要预合成、转移石墨烯薄膜小片，过程繁琐。

中国专利文献cn105386124a公开了一种石墨烯单晶及其快速生长的方法，其步骤是，将退火后的铜箔在含氧气的气氛中进行一次钝化，再在恒定温度的条件下，依次进行一次生长、二次钝化、二次生长，再降温至室温停止生长，得到沉积在铜箔上的石墨烯。该方法虽然能得到石墨烯单晶，但是在铜箔衬底上仍无法避免石墨烯的非相关点自发成核的缺陷。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种以六方氮化硼为点籽晶在不同衬底上生长大晶畴石墨烯的方法，该方法以氮化硼作为点籽晶，诱导生长石墨烯，通过控制反应温度、时间条件，使石墨烯沿着氮化硼籽晶边缘继续生长，最终在原位得到大晶畴石墨烯。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种以六方氮化硼为点籽晶生长大晶畴石墨烯的方法，包括步骤如下：

(1)提供一种衬底；

(2)将六方氮化硼溶于溶剂中，搅拌、超声处理使氮化硼颗粒均匀分散，然后静置，得到六方氮化硼溶液；

(3)将六方氮化硼溶液涂覆到衬底表面，得到涂覆六方氮化硼的衬底；

(4)将涂覆六方氮化硼的衬底置于cvd管式炉中抽真空，升温，之后通入高纯氩气和氢气，逐渐升温至950℃～1200℃进行氢刻蚀；

(5)氢刻蚀后通入碳源气体，保温以氮化硼为中心进行生长石墨烯；

(6)在惰性气氛下缓慢降温至600～700℃，然后自然降温，在衬底表面得到大晶畴石墨烯。

根据本发明优选的，所述的衬底为铜箔衬底、镍衬底、sic衬底或si衬底等。

根据本发明优选的，步骤(1)中的衬底使用前进行抛光、清洗处理，采用电化学抛光或机械化学抛光方式对衬底材料进行抛光处理，清洗采用湿法化学进行清洗；得到表面清洁、粗糙度小于等于10nm的衬底。

根据本发明优选的，步骤(2)中，所述的溶剂为乙醇、丙酮或甲苯，氮化硼的加入量与溶剂的质量体积比为：(0.01～0.04)：(2～6)，单位：g/ml；超声频率为30～60khz，超声时间为20～40min，静置时间为3～5h。本发明的六方氮化硼溶液浓度确保了涂覆到衬底上点籽晶的量，再通过调节实验生长条件使石墨烯以氮化硼为中心进行生长，来得到大面积的石墨烯晶畴。

根据本发明优选的，步骤(3)中，涂覆方式采用旋涂或采用胶带剥离六方氮化硼溶液转移到衬底表面的方式进行，涂覆大小：将整个衬底的上表面进行涂覆，涂覆后氮化硼籽晶的密度为10～100grains/0.01mm²。

根据本发明优选的，步骤(4)中，抽真空后炉腔的真空度为10^-3～10^-4pa，升温至200～300℃，通入高纯氩气和氢气后，压力控制在500～800mbar，然后升温至800℃～900℃，之后缓慢升至950℃～1200℃，进行氢刻蚀30～60min。

进一步优选的，升温至200～300℃的升温速率为10～50℃/min，升温至800～900℃的升温速率为10～50℃/min，升温至950～1200℃的升温速率为0.5～5℃/min。

进一步优选的，高纯氩气和氢气的纯度≥99.9％；氩气和氢气的流量分别为100～320sccm和10～100sccm，最为优选的，氩气流量为320sccm，氢气流量为21sccm。

根据本发明优选的，步骤(5)中，所述的碳源气体为甲烷或乙烷，碳源气体流量为3-20sccm，生长时间为3～15min。

根据本发明优选的，步骤(6)中，惰性气氛为氩气，压力控制在500～800mbar，降温至600～700℃的降温速率为100～200℃/min，降温至600～700℃，进行自然降温。

本发明方法中所有设备、原料均为市售产品。没有特别限定的部分，可参照现有技术。

根据氮化硼具有与石墨烯相匹配的晶格结构，本发明提出一种在衬底上通过六方氮化硼为点籽晶定位生长大晶畴石墨烯的方法，避免了传统cvd工艺生长石墨烯非相关成核点的自重构问题，能够获得大晶畴石墨烯，有利于石墨烯基微电子器件研制。在经过优选的条件下，可得到层数更为均匀的高质量石墨烯材料。

本发明的技术特点和优良效果在于：

1、本发明采用电化学抛光或机械化学抛光方式对衬底材料进行抛光处理，清洗方法采用的标准湿法化学清洗工艺；可加工出表面清洁、粗糙度小的衬底材料。

2、本发明氮化硼作为点籽晶，其具有与石墨烯非常匹配的晶格结构，并且氮化硼也是一种二维材料，有利于与石墨烯形成异质结，促进石墨烯以点籽晶为中心原位生长。

3、本发明通过控制六方氮化硼溶液的浓度，确保石墨烯的成核密度，避免了传统cvd工艺在衬底上生长石墨烯非相关成核点的自重构，显著提高了石墨烯生长质量。

附图说明

图1是本发明基于铜衬底以氮化硼为点籽晶生长石墨烯晶畴的原理示意图。

图2是本发明实施例1获得的大晶畴石墨烯的扫描电子显微镜图(图中亮点为氮化硼点籽晶)。

图3是本发明实施例1获得的大晶畴石墨烯的拉曼图谱。

图4是本发明对比例中单纯利用铜衬底制备的石墨烯拉曼图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、