制备单晶双层石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备单晶双层石墨烯的方法，属于石墨烯技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，石墨烯作为一种超薄的单原子二维材料，其独特的物理结构，赋予了它优异的电学、光学、力学等性能，使它获得各个领域科研人员的追捧。最初石墨烯的制备是采用微机械剥离高定向热解石墨方法，获得了高达200，000V—1的迀移率的高质量石墨烯。当前，采用化学气相法在过渡金属衬底Ni或者Cu表面进行石墨烯的制备，已经可以获得平方米级的单层、双层或者多层石墨烯。
[0003]单层石墨烯独特的零带隙色散关系，限制了它在逻辑开关和存储器上的应用。为了能够打开石墨烯带隙，人们采用了各种办法，例如:把石墨烯薄膜切割成石墨烯纳米带或者石墨烯网，进行化学掺杂或者物理吸附，采用一个单轴应力拉伸石墨烯等。这些方法虽然能够打开石墨烯的带隙，但是却严重破坏了石墨烯的晶格结构，失去了石墨烯优异的电学性质，特别是石墨烯的载流子迀移率不可避免地严重衰减，因此，需要寻找一种新的方法来打开石墨烯的带隙。此时，双层石墨烯进入人们的视线。双层石墨烯具有独特的类抛物线形的能带结构，在外加电场的作用下可以轻松地打开带隙，使得它受到越来越多的关注，并且已经被人们从理论模拟和实验操作方面得到了验证，即通过在双层石墨烯的垂直方向上添加一个强电场，就能打开?250meV的带隙。因此，制备大面积高质量的双层石墨稀成为当前研究的一大热点。
[0004]—般化学气相沉积法制备的多晶石墨烯薄膜，其单晶尺寸大约是几微米或者几十微米。这些多晶石墨烯薄膜的高密度晶界导致石墨烯的电子特性不稳定。虽然有关研究说这种化学气相沉积法制备的多晶石墨烯具有可比拟于剥离石墨烯的高迀移率，但是多晶薄膜石墨烯的整体输运性质仍然受到晶界处缺陷的影响。因此，如何制备出大尺寸单晶石墨烯是基于石墨烯电子器件和光电器件集成化的一个重要挑战。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种制备单晶双层石墨烯的方法，本发明无需使用复杂的高真空设备，在温和的条件下即可制备出单晶双层石墨稀。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种制备单晶双层石墨烯的方法，包括以下步骤:
[0007]a)将铜催化剂放入反应器中，并向反应器中通入非氧化性气体，使非氧化性气体充满反应器，所述铜催化剂为单晶铜或多晶铜或铜薄膜；
[0008]b)将铜催化剂加热到目标温度，然后保持温度恒定30-120分钟，所述目标温度的温度范围为:1000°C?1070°C ；
[0009]c)继续保持温度恒定，将携带有碳源的非氧化性气体通入反应器中，即可在铜催化剂表面得到单晶双层石墨烯。
[0010]本发明还公开了另一种制备单晶双层石墨烯的方法，包括以下步骤:
[0011]a)将铜催化剂放入反应器中，并向反应器中通入非氧化性气体，使非氧化性气体充满反应器，所述铜催化剂为单晶铜或多晶铜或铜薄膜；
[0012]b)将铜催化剂加热到目标温度，然后保持温度恒定30-120分钟，所述目标温度的温度范围为:1000°C?1070°C ；
[0013]c)然后对铜催化剂进行降温使其达到900°C?500°C，在上述降温过程中，将携带有碳源的非氧化性气体通入反应器中，即可在铜催化剂表面得到单晶双层石墨烯。
[0014]进一步，步骤c)中所述的碳源为甲烷和/或乙炔和/或聚苯乙烯和/或晕苯。
[0015]进一步，在步骤c)中，对于气体碳源，气体碳源与非氧化性气体同时通入反应器中。
[0016]进一步提供了一种引入固体碳源的方法，在步骤c)中，对于固体碳源，将固体碳源放置在反应器通入气流的一端，并用加热带对固体碳源所在部位进行加热，加热的温度范围为:200°C-400°C。
[0017]进一步为了得到纯净的石墨烯，在步骤c)后，还包括步骤d)，首先将PMMA或者PDMS旋涂在生长有石墨烯的衬底表面，并在加热台上加热，然后放入氯化铁或硫酸铜或过硫酸铵溶液中腐蚀1-24小时除去铜，之后依次用去离子水、稀盐酸、异丙醇洗净，烘干，转移到目标衬底上，最后使用热丙酮除去PMMA或者PDMS层。
[0018]采用了上述技术方案后，本发明利用等温或非等温常压化学气相沉积法在铜催化剂上制备大尺寸单晶双层石墨烯，本方法操作方便，简单易行，可用于高端电子器件和集成电路；另外，本发明的非等温法制备的单晶双层石墨烯与等温法制备的单晶双层石墨烯相比具有较大的尺寸和较少的缺陷的优点。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的碳源为气体碳源时的反应器的示意图；
[0020]图2为本发明的碳源为固体碳源时的反应器的示意图；
[0021]图3为实施例一制备的单晶双层石墨烯的扫描电子显微镜照；
[0022]图4为实施例二制备的单晶双层石墨烯的扫描电子显微镜照片；
[0023]图5为实施例三制备的单晶双层石墨烯的光学显微镜照片；
[0024]图6为实施例三制备的单晶双层石墨烯的扫描电子显微镜照片；
[0025]图7为实施例三制备的单晶双层石墨烯上选取不同点对应的拉曼光谱；
[0026]图8为实施例三制备的单晶双层石墨烯边缘层结构的透射电子显微镜照片；
[0027]图9为图8中单晶的选区电子衍射照片；
[0028]图10为图9所对应的选区电子衍射强度；
[0029]图11为实施例四制备的单晶双层石墨烯的扫描电子显微镜照片；
[0030]图12为实施例五制备的单晶双层石墨烯的扫描电子显微镜照片
[0031]图中，1、1号进气管，2、2号进气管，3、碳源，4、铜催化剂，5、反应器。
【具体实施方式】
[0032]为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0033]实施例一:
[0034]如图1所示，碳源为甲烷，当然也可以为乙炔，铜催化剂为单晶铜箔，反应器为石英管，1号管为氩气管，2号管为氢气管，3号管为甲烷气管。
[0035]—种制备单晶双层石墨烯的方法，包括以下步骤:
[0036]a)将单晶铜箔置于洁净的石英管中部，对石英管抽真空，然后通入氩气，抽真空，通入氢气，再次抽真空，重复三遍，以除去石英管及气路中的空气，然后向石英管中通入500-1000sccm氩氢混合气体；
[0037]b)对单晶铜箔加热，使石英管的中心区域温度达到1000°C，然后保持温度恒定60分钟，对单晶铜箔表面进行退火处理；
[0038]c)继续保持1000°C温度恒定，在氩氢混合气体中通入甲烷，并共同通入石英管中，反应开始进行，碳在单晶铜箔表面沉积生成单晶双层石墨烯。
[0039]在反应进行100分钟后，停止通入甲烷，同时掀开炉盖、关闭电炉，继续通入氩氢混合气体直到冷却至室温，当然也可以缓慢的随炉冷却。
[0040]如图3所示，从图中可以看出六边形的单晶结构，说明为石墨烯。
[0041]实施例二:
[0042]如图1所示，碳源为甲烷，当然也可以为乙炔，铜催化剂为单晶铜箔，反应器为石英管，1号管为氩气管，2号管为氢气管，3号管为甲烷气管。
[0043]—种制备单晶双层石墨烯的方法，包括以下步骤:
[0044]a)将单晶铜箔置于洁净的石英管中部，对石英管抽真空，然后通入氩气，抽真空，通入氢气，再次抽真空，重复三遍，以除去石英管及气路中的空气，然后向石英管中通入500-1000sccm氩氢混合气体；
[0045]b)对单晶铜箔加热，使石英管的中心区域温度达到1000°C，然后保持温度恒定90分钟，对单晶铜箔表面进行退火处理；
[0046]c)对石英管的中心区域开始缓慢降温至500°C，在降温过程中，在氩氢混合气体中通入甲烷，并共同通入石英管中，反应开始进行，碳在单晶铜箔表面沉积生成石墨烯。
[0047]在反应进行100分钟后，停止通入甲烷，同时掀开炉盖、关闭电炉，继续通入氩氢混合气体直到冷却至室温，当然也可以缓慢的随炉冷却。
[0048]如图4所示，从图中可以看出六边形的单晶结构，说明为石墨烯。
[0049]实施例三:
[0050]如图1所示，碳源为甲烷，铜催化剂为多晶铜箔，反应器为石英管，1号管为氩气管，2号管为氢气管，3号管为甲烷气管。
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