一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石墨烯薄膜的制备技术领域，尤其涉及一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是碳原子基于sP2杂化组成的六角蜂巢状结构，仅一个原子层厚的二维晶体。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov等人发现稳定存在的单层石墨稀，也因其在石墨烯方面的开创性工作而获得2010年诺贝尔物理学奖。近年来，石墨烯在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景，吸引了科学界和工业界的广泛关注。石墨烯具有优异的力、热、光、电等性质。石墨烯常温下的电子迀移率超过15000cm2/V.s，超过碳纳米管和硅晶体，而电阻率只约10—6 Ω.cm，比铜或银的更低，是目前世上电阻率最小的材料。而其高达97.7%的全波段透光率是其他导电材料难以匹敌的。
[0003]近年来，石墨烯在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景，吸引了科学界和工业界的广泛关注。目前，工业上普遍采用化学气相沉积(CVD)法作为制备大面积石墨烯的方法，但是对于批量制备的方法都很难突破，依靠各种夹持结构的载具同时制备多片石墨烯又大大增加了整体负载，减小了样品数量，导致生产效率低下，而且制备出的石墨烯薄膜均匀性不好，层数难以控制，从而导致石墨烯薄膜整体的电学性能远远低于理论值。
[0004]公开号为CN104131266的专利文件公开了一种可批量制备薄膜材料的方法及类似装置，通过该方法可在衬底上进行沉积或喷镀等方法批量进行石墨烯薄膜的制备，但该方法需要依赖双面加热的设计方法和装置，这种夹具结构复杂，且所需的石墨烯生长温度较高，所制得的石墨烯薄膜层数较少，双面多衬底在高温下容易存在层间粘连的问题。
【发明内容】
[0005]为了克服上述【背景技术】中的不足，本发明提供了一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法，该方法步骤如下:
[0006](I)基底高温退火:将金属基底在温度900°C-1050°C下进行退火处理30min以上，
并冷却至室温；
[0007](2)涂布碳源:在金属基底上涂布一层碳源溶液，并烘干溶液至固化；
[0008](3)放样品:将涂有固态碳源的金属基底切成适合CVD反应腔体尺寸的大小，并层状堆叠好；
[0009](4)石墨烯成核:将涂有碳源的多层金属基底一并放入CVD反应腔体中，温度升高至碳源的分解温度，碳原子重新组合，进入石墨烯成核阶段；
[0010](5)薄膜生长:碳源分子扩散至整个金属基底上，在石墨烯晶核周围扩散并继续外延生长，形成石墨烯薄膜；
[0011](6)冷却:将基底和石墨烯进行冷却降温，完成石墨烯薄膜的制备。
[0012]本发明所涉及的金属基底可以为&1，仙，附，&，？七等中的一种或者两种的合金。
[0013]本发明所涉及的碳源溶液可以是碳氢或者碳氢氧的聚合物碳源，即聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的共聚物或者聚醚，聚酯，聚烯烃等。
[0014]本发明所涉及的涂有固态碳源的金属基底的层数为单层或2?100层中的任意层数。
[0015]本发明所公开的一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法，采用多衬底上的固态碳源来批量制备石墨烯，多层衬底可以密集堆积，省略了多衬底制备必须的夹具结构;精密控制碳源浓度，通过碳源涂布量控制石墨烯薄膜的层数，在生长过程中除去了现有CVD方法中气体碳源和氢气的成本；降低石墨烯生长温度，使碳原子在400?500°C的温度下扩散生成石墨烯薄膜，减少了升降温时间和能源损耗，具有工业化优点。
【附图说明】
[0016]图1为本发明所涉及的石墨烯薄膜制备方法的技术流程图。
[0017]图2为具有涂布均匀的PMMA的铜箔堆叠在一起的示意图，其中，I为碳源涂层，2为金属基底。
[0018]图3为铜箔上生长的石墨烯转移到PET上的方块电阻分布图。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]本实施例提供了一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法，该方法的技术流程如图1所示，包括金属基底退火，涂布固态碳源，固化碳源，多衬底堆放，碳源分解成核，石墨烯生长成膜和冷却过程，具体步骤如下:
[0021 ] (I)基底高温退火:将1cm X 20cm的铜箔放在CVD反应腔中，压力设置为常压，在H2流量为lOOsccm的气氛下，温度在1050°C下进行退火，时间30?40min，然后将温度冷却至室温O
[0022](2)涂布碳源:将经过高温退火后的每片铜箔平整的放在Si片上，旋涂10%的PMMA溶液，甩胶转速3000r/m，时间50秒。将Cu/PMMA/Si加热至110°C,烘干PMMA溶液20分钟使其固化，形成固态碳源。
[0023](3)放样品:将涂有固态碳源的铜箔剪成若干5cm X 5cm大小的涂有固态碳源I的铜箔2结构，如图2所示，将20片涂有固态碳源I的铜箔2结构堆叠在一起，一并放置于CVD反应腔中。
[0024](4)石墨稀成核:向CVD反应腔内通入氩气10sccm和氢气20sccm，调整腔体温度为常压，将反应腔温度调节至50(TC，保持生长20分钟，使碳源分子分解重组在铜箔上成核。
[0025](5)薄膜生长:在重新成核以后，碳原子扩散至整个铜箔基底2，形成石墨烯薄膜。
[0026](6)冷却:最后停止加热，并保持氩气lOOsccm和氢气20sCCm混合气中将温度迅速降至室温，完成石墨烯薄膜的制备。
[0027]本实施例所制得的石墨烯薄膜转移到PET上的方块电阻分布图如图3所示。
[0028]实施例2
[0029]本实施例提供了一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法，该方法的技术流程如图1所示，包括金属基底退火，涂布固态碳源，固化碳源，多衬底堆放，碳源分解成核，石墨烯生长成膜和冷却过程，具体步骤如下:
[0030](I)基底高温退火:将1cm X 20cm的镍箔放在CVD反应腔中，压力设置为常压，在H2流量为lOOsccm的气氛下，温度在1200 °C下进行退火，时间30?40min，然后将温度冷却至室温O
[0031](2)涂布碳源:将经过高温退火后的每片镍箔平整的放在Si片上，旋涂2%的PMMA溶液，甩胶转速3000r/m，时间50秒。将Ni/PMMA/Si加热至110°C,烘干PMMA溶液20分钟使其固化，形成固态碳源。
[0032](3)放样品:将涂有固态碳源的镍箔剪成若干5cm X 5cm大小的涂有固态碳源I的镍箔2结构，如图2所示，将10片涂有固态碳源I的镍箔2结构堆叠在一起，一并放置于CVD反应腔中。
[0033](4)石墨稀成核:向CVD反应腔内通入氩气50sccm和氢气lOsccm，调整腔体温度为常压，将反应腔温度调节至50(TC，保持生长20分钟，使碳源分子分解重组在镍箔上成核。
[0034](5)薄膜生长:在重新成核以后，碳原子扩散至整个镍箔基底2，形成石墨烯薄膜。
[0035](6)冷却:最后停止加热，并保持氩气50sCCm和氢气1sccm混合气中将温度迅速降至室温，完成石墨稀薄I旲的制备。
【主权项】
1.一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，该方法步骤如下: (1)基底高温退火:将金属基底在温度900°c-1050°c下进行退火处理30min以上，并冷却至室温； (2)涂布碳源:在金属基底上涂布一层碳源溶液，并烘干溶液至固化； (3)放样品:将涂有固态碳源的金属基底切成适合CVD反应腔体尺寸的大小，并层状堆置好； (4)石墨烯成核:将涂有碳源的多层金属基底一并放入CVD反应腔体中，温度升高至碳源的分解温度，碳原子重新组合，进入石墨烯成核阶段； (5)薄膜生长:碳源分子扩散至整个金属基底上，在石墨烯晶核周围扩散并继续外延生长，形成石墨烯薄膜； (6)冷却:将基底和石墨烯进行冷却降温，完成石墨烯薄膜的制备。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属基底可以为Cu，Ru，Ni，Ir，Pt等中的一种或者两种的合金。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳源溶液可以是碳氢或者碳氢氧的聚合物碳源，即聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的共聚物或者聚醚，聚酯，聚烯烃等。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂有固态碳源的金属基底的层数为单层或2?100层中的任意层数。
【专利摘要】本发明提供一种批量多衬底制备石墨烯薄膜的方法，该方法的步骤如下：基底高温退火，在基底上涂布碳源，固化碳源，将堆叠的金属基底放在CVD反应腔中，在分解温度下使固态碳源的碳原子重组，进行石墨烯成核，碳源分子扩散至整个金属基底上，在多衬底上形成石墨烯薄膜，对生成的石墨烯薄膜进行冷却降温，完成石墨烯薄膜的制备。本发明采用多衬底堆叠生长石墨烯薄膜，省去了批量制备石墨烯所需的夹具结构；低温生长石墨烯，减少了升降温时间和能源损耗，具有工业化优点；在生长过程中除去了现有CVD方法气体碳源和氢气的成本；可通过碳源涂布量控制石墨烯薄膜的层数。
【IPC分类】C23C20/06, C01B31/04
【公开号】CN105668559
【申请号】CN201610063713
【发明人】高翾, 李占成, 姜浩, 史浩飞
【申请人】中国科学院重庆绿色智能技术研究院
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月29日