一种石墨烯的制备方法与流程

本发明属于石墨烯制备技术领域，特别是涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术：

石墨烯是由sp²杂化的碳原子组成的六角蜂窝状二维无机晶体材料，可视为各维碳材料(零维巴基球、一维碳纳米管、三维石墨)的基本结构单元。在石墨烯中发现的量子霍尔效应、弱局域化效应等新奇的物理性质为基础物理研究提供了模型，并且其高电子迁移率、高透光率、高机械强度、抗氧化、易修饰等优良性能，使石墨烯在纳米电子学，自旋电子学以及环保等领域具有广阔的应用前景。

目前，在高定向热解石墨机械剥离法、sic热蒸发法、氧化石墨烯还原法、碳纳米管切割法等众多制备方法中，cvd法被公认为是最经济、省时，并且可以制备大面积石墨烯的一种方法。其原理是将含有构成薄膜元素的气态反应源及其他反应需要的气体引入反应室，一定条件下在衬底表面发生化学反应生成薄膜。然而，cvd方法制备的石墨烯为多晶结构，因为单晶晶粒尺寸太小而使目前制备的石墨烯样品的性质与理论值相差很大，因此，增大多晶石墨烯单晶晶粒尺寸是提高石墨烯性质的最有效的方法。增大石墨烯晶畴的方法有很多，比如提高衬底温度，降低碳源浓度、提高氢气比例等，但难以有效改善石墨烯晶畴且不产生其他有害影响，难以重复性高、高效、安全且批量制备石墨烯。

因此，如何提供一种石墨烯的制备方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯的制备方法，用于解决现有技术中难以有效改善石墨烯晶畴且不产生其他有害影响，难以重复性高、高效、安全且批量制备石墨烯等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种石墨烯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供生长衬底，且所述生长衬底具有生长表面；

提供固态氧源，并使所述固态氧源与所述生长表面之间具有间距；以及

提供石墨烯生长气体，并使所述固态氧源提供氧源，以基于所述石墨烯生长气体及所述氧源于所述生长表面上生长石墨烯。

作为本发明的一种可选方案，所述生长衬底的材料包括金属，所述固态氧源的材料包括氧化物，所述氧化物包括所述金属所含元素的氧化物。

作为本发明的一种可选方案，所述生长衬底的材料包括铜、镍以及铂中的至少一种；所述固态氧源的材料包括铜的氧化物，所述铜的氧化物包括氧化铜以及氧化亚铜中的至少一种。

作为本发明的一种可选方案，所述生长衬底包括线状衬底、泡沫状衬底、箔片状衬底以及薄膜状衬底中的至少一种；所述固态氧源的形态包括粉状氧源及薄膜状氧源中的至少一种。

作为本发明的一种可选方案，所述固态氧源与所述生长表面之间的间距介于10μm-100cm之间。

作为本发明的一种可选方案，所述固态氧源的设置方式包括所述固态氧源设置于所述生长衬底的侧部、所述固态氧源与所述生长表面相对设置以及所述固态氧源环绕所述生长衬底设置中的至少一种。

作为本发明的一种可选方案，所述石墨烯的成核密度通过所述固态氧源的质量、所述固态氧源的形态以及所述固态氧源与所述生长表面之间的间距中的至少一者控制；所述石墨烯生长气体包括氩气及氢气中的至少一种，所述石墨烯的成核密度通过所述石墨烯生长气体的组成成分以及各所述成分的含量中的至少一者控制。

作为本发明的一种可选方案，通过所述固态氧源提供所述氧源的方式包括对所述固态氧源进行加热。

作为本发明的一种可选方案，提供所述石墨烯生长气体前还包括步骤：将所述生长衬底及所述固态氧源置于同一反应腔室中，向所述反应腔室中通入所述石墨烯生长气体以提供所述石墨烯生长气体，并对所述反应腔室进行加热，以使得所述固体氧源提供所述氧源，并使得基于所述石墨烯生长气体及所述氧源生长所述石墨烯。

作为本发明的一种可选方案，所述反应腔室包括石英管式炉；对所述反应腔室进行加热的加热温度介于700℃-1100℃之间；所述石墨烯的成核密度通过对所述反应腔室进行加热的加热时间及加热温度中的至少一者进行控制。

如上所述，本发明的石墨烯的制备方法，具有以下有益效果：本发明通过在石墨烯生长过程中提供氧源的方式，控制石墨烯的成核密度，控制石墨烯晶畴的尺寸，并通过固态氧源远程供氧的方式，解决了供氧过程中存在安全风险、衬底表面平整度下降以及供氧量低、容易引入杂质等问题，实现了重复性高、高效、安全的供氧，适用于cvd石墨烯的批量制备，如在金属衬底上进行cvd石墨烯的批量制备。

附图说明

图1显示为本发明提供的石墨烯制备方法的工艺流程图。

图2显示为本发明实施例中提供的生长衬底和固态氧源的结构布置示意图。

图3显示为本发明实施例中样品与对比样品的生长衬底上石墨烯的光镜图。

图4显示为本发明实施例中固态氧源生长石墨烯后的光镜图。

图5显示为本发明实施例中提供的生长衬底和固态氧源的结构另一种布置示意图。

图6显示为本发明实施例中不同石墨烯生长区域的石墨烯光镜图。

元件标号说明

100生长衬底

100a生长表面

101固态氧源

101a铜箔

101b氧化层

102支柱

103、104石墨烯生长区域

s1～s3步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1-6所示，本发明提供一种石墨烯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供生长衬底，且所述生长衬底具有生长表面；

提供固态氧源，并使所述固态氧源与所述生长表面之间具有间距；以及

提供石墨烯生长气体，并使所述固态氧源提供氧源，以基于所述石墨烯生长气体及所述氧源于所述生长表面上生长石墨烯。

上述各步骤顺序可以依据实际工艺进行调整，不以上述排列顺序为限，下面将结合附图示例详细说明本发明的石墨烯的制备方法。

首先，如图1中的s1及图2、5所示，提供生长衬底100，且所述生长衬底100具有生长表面100a；

作为示例，所述生长衬底100的材料包括金属。

作为示例，所述生长衬底100的材料包括铜、镍以及铂中的至少一种。

作为示例，所述生长衬底100包括线状衬底、泡沫状衬底、箔片状衬底以及薄膜状衬底中的至少一种。

具体的，该步骤中提供一用于生长石墨烯的所述生长衬底100，所述生长衬底100的种类可以依据实际需求进行选择，在一示例中，所述生长衬底100为金属衬底，以用于生长石墨烯，可以在所述金属衬底上通过化学气相沉积(chemicalvapordeposition，简称cvd)的方式生长石墨烯，在一可选示例中，所述金属衬底包括铜、镍、铂等金属及其合金所构成的衬底。另外，对于所述生长衬底100的形状，可以是线状衬底、泡沫状衬底、箔片状衬底以及薄膜状衬底中的至少一种，例如，可以是金属线、金属箔片、泡沫金属或者金属薄膜。

接着，如图1中的s2及图2、5所示，提供固态氧源101，并使所述固态氧源101与所述生长表面100a之间具有间距。

作为示例，所述固态氧源101的材料包括铜的氧化物，所述铜的氧化物包括氧化铜以及氧化亚铜中的至少一种。

作为示例，所述固态氧源101的形态包括粉状氧源以及薄膜状氧源中的至少一种。

作为示例，所述固态氧源101与所述生长表面100a之间的间距介于10μm-100cm之间。

具体的，提供一种氧源，即所述固态氧源101，可以在石墨烯的生长过程中提供氧源，通过在石墨烯生长过程中提供氧，从而基于氧的存在降低石墨烯的成核密度，进而有效增大石墨烯晶畴的尺寸，如可以解决cvd石墨烯过程中，单晶晶粒尺寸太小的问题。

另外，在本发明中，将所述固态氧源101放置在所述生长衬底100的周围，使得所述固态氧源101与所述生长表面100a之间存在一间距d，如图1所示，基于该间距的存在，可以实现在石墨烯生长过程中的远程供氧，基于上述方案，本发明的供氧方式，可以有利于防止氧气供氧所造成的爆炸等风险，可以避免氧气引入石墨烯生长腔体后，由于生长石墨烯的反应气中多含氢气、甲烷等易爆气体，造成爆炸等问题，另外，本发明的远程供氧的方式，可以有利于避免在生长衬底上直接形成氧化物供氧，如将金属生长衬底直接氧化，所带来生长衬底表面不平整的问题，此外，本发明的远程供氧的方式以及所述固态氧源的设计，供氧物体性质优异，可以有利于改善将金属衬底直接放在含氧物体上所存在的缺陷，如直接将金属衬底直接放在含氧物体上，比如蓝宝石、二氧化硅等，这种方法由于供氧的物体性质稳定，供氧量受限，其次，由于直接接触，含氧衬底和金属衬底容易发生反应，出现粘连，还有可能会引入其他杂质。在一可选示例中，设置所述固态氧源101与所述生长表面100a之间的间距介于10μm-100cm之间，可以是15μm、80μm、100μm、1mm、10mm等，保证二者之间存在一最小间距，从而有利于防止所述固态氧源101与所述生长衬底100相接触，从而进一步有利于防止由于膨胀等原因造成的相互接触及影响，另外，合适的间距还可以有利于防止供氧过量，造成生长的石墨烯质量下降，表面不平等问题。

另外，在一示例中，所述固态氧源101可以是固态氧化物，如铜的氧化物，所述铜氧化物可以是氧化铜、氧化亚铜以及两者的混合物，铜的氧化物，如氧化铜，性质优异，且对各种金属生长衬底不易带来杂质，可忽略，可以安全高效的提供充足的氧源，且可以不给石墨烯生长等带来其他杂质，另外，在一可选示例中，所述固态氧源101的形态可以依据实际情况进行选择，如可以是粉状氧源、薄膜状氧源，还可以是块状氧源，如可以是氧化铜的粉末，可以是氧化铜薄膜，可以依据实际选择。

作为示例，所述生长衬底100的材料包括金属，所述固态氧源101的材料包括氧化物，所述氧化物包括所述金属所含元素的氧化物。

具体的，所述生长衬底100可以是金属衬底，所述固态氧源101可以是固态的氧化物，其中，该示例中，所述固态氧源101中所含的金属元素与所述生长衬底100中的金属元素一致，如所述生长衬底100选择为铜衬底，所述固态氧源101选择为氧化铜，从而可以在有效提供氧源的基础上，保证石墨烯生长过程中的均一性，还可以有利于防止其他杂质的引入。

作为示例，所述固态氧源101的设置方式包括所述固态氧源101设置于所述生长衬底100的侧部、所述固态氧源101与所述生长表面100a相对设置以及所述固态氧源100环绕所述生长衬底100设置中的至少一种。

具体的，该示例中提供所述固态氧源101设置在所述生长衬底100周围的方式，其中，所述固态氧源101的设置方式可以依据实际石墨烯生长环境进行选择，设置在所述生长衬底100周围任意位置，保证所述固态氧源101与生长石墨烯用的所述生长表面100a之间具有间距即可，其中，在一示例中，可以是所述固态氧源101设置在所述生长表面100a的对面，如图2所示，所述固态氧源101与所述生长表面100a相对设置，所述固态氧源101可以通过支柱102支撑固定在所述生长衬底100上，所述支柱102可以选择为石英支柱，另外，如图5所示，所述固态氧源101还可以放置在所述生长衬底100上，此时，所述生长衬底100的与所述固态氧源101不接触的区域表面构成所述生长表面100a，如石墨烯生长区域103、104，用于生长石墨烯。当然，所述固态氧源101的设置方式不局限于此，如还可以放置在所述生长衬底100的外围区域，如放置在所述生长衬底100侧部外围，在一可选示例中，所述固态氧源101的上表面与所述生长表面100a(选择所述生长衬底的上表面为生长表面)相平齐，还可以是所述固态氧源101环绕所述生长衬底101进行设置，如设置多个所述固态氧源，并采用支撑结构将各个所述固态氧源固定，形成所述固态氧源环绕所述生长衬底的方式设置。

最后，如图1中的s3及图2-6所示，提供石墨烯生长气体，并使所述固态氧源101提供氧源，以基于所述石墨烯生长气体及所述氧源于所述生长表面100a上生长石墨烯。

具体的，该步骤中，提供所述石墨烯生长气体，以进行石墨烯的生长，所述石墨烯生长气体可以是用于提供石墨烯生长的原料，包括石墨烯生长的载气以及形成石墨烯的原料气体等，所述固态氧源101用于提供氧源，使得在石墨烯生长过程中，在所述氧源的作用下，改变生长的石墨烯的晶畴尺寸，从而改善石墨烯性能。

作为示例，所述石墨烯的成核密度通过所述固态氧源101的质量、所述固态氧源101的形态以及所述固态氧源101与所述生长表面100a之间的间距中的至少一者控制。

作为示例，所述固态氧源101的供氧效果包括所述石墨烯的成核密度。

具体的，在一示例中，可以通过石墨烯生长过程中的相关条件对所述固态氧源101的供氧效果进行控制，这里，所述供氧效果包括所述石墨烯的成核密度。其中，以所述固态氧源101为铜的氧化物为例，氧化物的量越多，质量越大，供氧的量就越大；另外，对于所述固态氧源的形态，由于是固态物质供氧，直接供氧的为物质表面，因此，同样质量的氧化物，表面积越大的供氧的量越大，比如同样是1g氧化铜，堆成一堆的供氧就比平摊成薄层的供氧少；对于所述固态氧源与所述生长表面之间的距离，生长表面离铜氧化物越近供氧的量越大，供氧的量越大，通常石墨烯的晶畴密度也就越低。

作为示例，通过所述固态氧源101提供所述氧源的方式包括对所述固态氧源进行加热。

具体的，在一示例中，实现所述固态氧源101供氧的方式可以是对所述固态氧源101进行加热，从而可以提供氧源。

作为示例，提供所述石墨烯生长气体前还包括步骤：将所述生长衬底100及所述固态氧源101置于同一反应腔室中，向所述反应腔室中通入所述石墨烯生长气体以提供所述石墨烯生长气体，并对所述反应腔室进行加热，以使得所述固体氧源101提供所述氧源，并使得基于所述石墨烯生长气体及所述氧源生长所述石墨烯。

作为示例，所述反应腔室包括石英管式炉。

作为示例，对所述反应腔室进行加热的加热温度介于700℃至1100℃之间，在一示例中，可以介于700℃至所述固态氧源的熔点之间。

作为示例，所述石墨烯的成核密度通过对所述反应腔室进行加热的加热时间及加热温度中的至少一者进行控制。

作为示例，所述石墨烯生长气体包括氩气及氢气中的至少一种，所述石墨烯的成核密度通过所述石墨烯生长气体的组成成分以及各所述成分的含量中的至少一者控制。

作为示例，所述供氧效果包括所述石墨烯的成核密度。

具体的，在一示例中，所述石墨烯的生长与所述固态氧源101的供氧在同一所述反应腔室中进行，如可以是石英管式炉，可以将所述生长衬底100和所述固态氧源101放置在所述石英管式炉的加热区域中，在一可选示例中，对所述反应腔室进行加热，以提供石墨烯生长所需要的条件，同时使得所述固态氧源101受热提供氧源，另外，在一示例中，对所述反应腔室加热的温度介于700℃至1100℃之间，其中，所述固态氧源101可以在固态或者熔融、融化等状态下进行供氧。

另外，在一示例中，可以通过石墨烯生长过程中的相关条件对所述固态氧源101的供氧效果进行控制，这里，所述供氧效果包括所述石墨烯的成核密度，另外，所述供氧效果还可以包括避免氧过量造成石墨烯质量的下降和衬底表面的不平整等。其中，所述固态氧源的供氧效果通过所述石墨烯生长气体的组分控制，即所述石墨烯生长气体的组成成分以及各所述成分的含量中的至少一者，以石墨烯生长气体中的氩气和氢气为例，氩气作为载气，有稀释氧的作用，简言之就是氩气通的越多，氧的浓度就越低，供氧效果就越差，对成核密度改善就小；而氢气可以直接和氧反应，消耗掉氧，因此，氢气越多则氧被消耗的越多，剩下的氧就越少，供氧效果就越差，对成核密度改善就小；还可以通过对所述反应腔室进行加热的加热时间及加热温度中的至少一者对供氧效果进行控制，如加热温度可以影响氧的扩散，加热时间可以影响氧源的作用时间，另外，也可以通过上述方式控制供氧量，避免氧过量造成石墨烯质量的下降和衬底表面的不平整，其中，供氧过量容易造成石墨烯成核密度过于稀疏，从而导致生长质量下降，并由于某一区域氧供应过量，导致衬底表面部平整，导致整体石墨烯不平整。

作为示例，所述石墨烯的晶畴尺寸大于100μm。

具体的，采用本发明的上述方案，采用与生长衬底分离的铜氧化物等作为氧源，这与直接传统的直接引入氧气和氧化衬底表面(氧化物和衬底为一体)的方式明显区别，好处在于降低石墨烯成核密度的同时，比直接引入氧气安全，比氧化衬底供氧的衬底平整，比放在蓝宝石等衬底上供氧量大，并且不会引入其他杂质，在一示例中，所述石墨烯的晶畴尺寸大于100μm，如可以是150μm、200μm等。

为了进一步说明本发明的效果，提供下列实施例以进行进一步说明。

实施例1：

本实施例提供一种cvd石墨烯生长过程中通过铜的氧化物远程供氧的方法，具体包括：

1)将一片洁净的铜箔101a在空气中高温氧化，在表面形成氧化层101b，作为铜的氧化物，即所述固态氧源101；

2)将氧化过的铜箔，即所述固态氧源101放在所述生长衬底100对面，中间用石英板，所述支柱102隔开，如图2所示，铜氧化物和生长衬底的距离约为2mm；

3)将摆好位置的生长衬底和铜的氧化物以及一片没有铜氧化物覆盖的衬底作为对比样品，一起放入石英管式炉的加热区域，抽真空，通入1000sccm氩气至常压，打开腔体出气口，继续通入1000sccm氩气，使石英腔体内部维持常压；

4)加热至1000℃，通入1sccmch4和20sccmh2，维持30分钟；

5)维持气氛不变，降至室温，将样品取出。

其中，本实施例中的样品以及对比样品的光学显微镜图如图3所示，图3(a)显示为对比样品的光学显微镜图，图3(b)显示为本实施例样品的光学显微镜图，图中可以看出，自然生长的衬底上石墨烯(对比样品)基本全部覆盖铜表面，其中，图3(a)虚线框中显示为裸露的生长衬底包围的一石墨烯晶畴，石墨烯的晶畴密度(即成核密度)较大，石墨烯的晶畴尺寸在50μm以下，而本实施例的样品中，如图3(b)中，虚线框中显示为一石墨烯晶畴，铜氧化物远程催化的衬底上，石墨烯的晶畴密度明显降低，晶畴尺寸远超过100μm，说明铜氧化物远程催化确实降低了晶畴密度，增大了晶畴尺寸。

此外，如图4所示，显示为作为铜氧化物的铜箔表面的光镜图片，即所述固态氧源101的光镜图片，可以看到石墨烯晶畴(圆圈内)尺寸也比较大，但是生长衬底表面非常粗糙，这是石墨烯制备不希望看到的，将铜衬底表面氧化供氧，破坏衬底表面的平整度。

实施例2：

本实施例提供一种cvd石墨烯生长过程中通过铜的氧化物远程供氧的方法，具体包括：

1)将一片洁净的铜箔101a在空气中高温氧化，在表面形成氧化层101b，作为铜的氧化物，即所述固态氧源101；

2)将氧化过的铜箔放在生长衬底100上，如图5所示，石墨烯生长区域103为离开铜氧化物0-1厘米区域，石墨烯生长区域104为离开铜氧化物1-2厘米区域；

3)将摆好位置的生长衬底和铜氧化物一起放入石英管式炉加热区域，抽真空，通入1000sccm氩气至常压，打开腔体出气口，继续通1000sccm氩气，使石英腔体内部维持常压；

4)加热至1000℃，通入1sccmch4和20sccmh2，维持30分钟；

5)维持气氛不变，将至室温，获得石墨烯。

其中，本实施例中的样品的光学显微镜图如图6所示，图6(a)显示为离铜氧化物近的石墨烯生长区域202中石墨烯晶畴的成核情况，图6(b)显示为离铜氧化物远的石墨烯生长区域203中石墨烯晶畴的成核情况，可见，图6(a)中离铜氧化物近的石墨烯成核密度明显低于图6(b)中离铜氧化物较远的石墨烯成核密度，所述固态氧源与所述生长表面之间的距离影响石墨烯的成核密度(晶畴密度)，可以据此调整固态氧源的供氧效果。

综上所述，本发明提供一种石墨烯的制备方法，所述制备方法包括步骤：提供生长衬底，且所述生长衬底具有生长表面；提供固态氧源，并使所述固态氧源与所述生长表面之间具有间距；以及提供石墨烯生长气体，并使所述固态氧源提供氧源，以基于所述石墨烯生长气体及所述氧源于所述生长表面上生长石墨烯。通过上述技术方案，本发明通过在石墨烯生长过程中提供氧源的方式，控制石墨烯的成核密度，控制石墨烯晶畴的尺寸，并通过固态氧源远程供氧的方式，解决了供氧过程中存在安全风险、衬底表面平整度下降以及供氧量低、容易引入杂质等问题，实现了重复性高、高效、安全的供氧，适用于金属衬底上cvd石墨烯的批量制备。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。