用于石墨烯生长的玻璃陶瓷基材的制作方法
【专利说明】用于石墨稀生长的玻璃陶瓷基材
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35U.S.C.§120,要求2013年10月23日提交的美国申请系列号14/ 061342的优先权，本文W该申请为基础并将其全文通过引用纳入本文。
[000；3]背景
[0004] 领域
[0005] 本发明总体上设及石墨締的形成方法，更具体而言，设及用于合成石墨締的玻璃 陶瓷基材。 技术背景
[0006] 石墨締是碳的二维同素异形体。石墨締的结构包括排布于密堆积的蜂窝阵列中的 单一平板状SP2杂化的碳原子板。石墨締中的碳-碳键的长度为大约0.142nm。一种石墨締单 层的示意图如图1所示。
[0007] 大体上来说，石墨締是石墨的孤立原子平面。作为一种二维晶体材料，石墨締具有 独特的性质，包括高本征迁移率（200000cm2V-is-i)、杨氏模量（大约1100G化）、断裂强度 (42Nm-i)、破裂强度（大约125G化）、热导率（大约5000Wm-iK-i)，表面积（2630mVi)和大约 97%的光学透射率。凭借运类卓越的性质，石墨締在W下领域中具有广泛的多种潜在应用： 从纳米机电谐振器和高性能场效应晶体管至清洁能源装置、传感器和抗菌产品。
[000引石墨締最先是从高定向热解石墨化0PG)上通过机械剥离来分离得到的。现在已经 广为人知的是，每当石墨发生磨损，例如用铅笔绘画时，就会生成微小的石墨片碎片。石墨 締还可利用W下方法通过碳偏析来得到:将例如碳化娃的碳源在低压下(大约10-6托)加热 至高溫（>ll00°C)W将其还原为石墨締。
[0009]缺乏廉价的生产高质量石墨締的大规模合成途径大大制约了其广泛应用。所W， 若能开发一种形成大面积石墨締的经济的方法，那将是有益的。
[001日]发明概述
[0011] 根据本发明的实施方式，一种用于石墨締生长的基材包含玻璃陶瓷主体和多个设 置在该玻璃陶瓷主体表面上的纳米相金属岛。运些金属岛能够在CVD工艺中催化石墨締的 生长。一种石墨締的形成方法包括将玻璃陶瓷基材的表面暴露于碳前体。
[0012] 其产物可为涂覆有石墨締的基材，其包含玻璃陶瓷主体、多个设置在该玻璃陶瓷 主体的表面上的纳米相金属岛和设置在运些金属岛上方的石墨締层。在一些实施方式中， 基材在石墨締形成前是绝缘的，但石墨締形成后，基材是导电的。
[0013] 在W下的详细描述中提出了本
【发明内容】
的附加特征和优点，其中的部分特征和优 点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括W下详细描述、 权利要求书W及附图在内的本文所述的本
【发明内容】
而被认识。
[0014] 应理解，前面的一般性描述和W下的详细描述给出了本
【发明内容】
的实施方式，用 来提供理解要求保护的本
【发明内容】
的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对 本发明的主题的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本 发明的主题的各种实施方式，并与说明书一起对本发明的主题的原理和操作进行阐述。此 夕h附图和说明书仅仅是示例性的，并不试图W任意方式限制权利要求的范围。
[0015] 附图的简要说明
[0016] 当结合W下附图阅读时，能对本发明下文的【具体实施方式】的详细描述有最好的理 解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：
[0017] 图1是显示石墨締结构的示意图；
[0018] 图2是一些实施方式的石墨締形成方法的说明图；
[0019] 图3是一种玻璃陶瓷基材在W下各阶段中的掠入射X射线衍射数据：（a)制备后的； (b)在空气中加热后的；W及(C)在空气中加热后又在氨气中加热后的；
[0020] 图4a和4d是包含纳米级儀岛的LAS玻璃陶瓷基材的沈Μ显微图像，而图4b和图4c是 形成于图4a的基材之上的石墨締的沈Μ显微图像；
[0021] 图5a和化是石墨締生长后的玻璃陶瓷基材的反向散射沈Μ显微图像和相应的能量 弥散X射线化DX)光谱。
[0022] 图6a~6f显示了形成于玻璃陶瓷基材上的石墨締的拉曼光谱和相应的拉曼光谱 衍生分布图；
[0023] 图7是形成于玻璃陶瓷基材上的石墨締的(a)SEM显微图像和(b)拉曼光谱分布图；
[0024] 图8显示了（a~b)局部形成于玻璃陶瓷基材上的石墨締的沈Μ显微图像、（C)相关 的拉曼光谱和(d)相应的拉曼光谱分布图；W及
[0025] 图9显示了形成于玻璃陶瓷基材上的石墨締的（a~b)SEM显微图像、（C化DX光谱、 (d)拉曼光谱和(e)相应的拉曼光谱分布图。
[0026] 发明详述
[0027] 下面将对本发明的主题的各种实施方式进行更详细的描述，其中的一些实施方式 例示于附图中。在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的组件。
[0028] -种用于石墨締生长的基材包含玻璃陶瓷主体和多个设置在该主体的表面上的 纳米相金属岛。在用于形成石墨締的化学气相沉积工艺中，金属岛能够催化石墨締的生长。 金属岛通过对相应的金属氧化物岛进行热还原来制造，所述金属氧化物岛是通过例如在玻 璃陶瓷结晶化过程中的热诱导扩散来形成的。单层和双层石墨締可通过控前体的催化分解 在基材上形成。
[0029] 本发明的石墨締合成使用绝缘(玻璃陶瓷)基材。合适的玻璃陶瓷包括裡侣娃酸盐 (LAS)材料，例如裡辉石材料。示例性的LAS的组成总结于表1。
[0030] 表1.玻璃陶瓷基材的组成
[0031]
[0032] 玻璃陶瓷基材包含非玻璃形成的、非玻璃改性的金属，例如儀或钻，其W相应的氧 化物的形式结合入玻璃陶瓷中，且在于玻璃陶瓷表面上形成例如氧化儀（即NiO)或氧化钻 (即C〇3化)的金属氧化物的岛的热处理过程中被分隔开来。在包含氧化儀的玻璃陶瓷的组成 中包含至少1摩尔％的化0(例如1、2、3、4或5摩尔％的化0)。在包含氧化钻的玻璃陶瓷的组 成中包含至少0.33摩尔％的化0(例如0.33、0.66、1、1.33、1.66或2摩尔％的(：〇3〇4)。其它能 够形成可结合入玻璃陶瓷的表面纳米颗粒的金属包括加、？*、411、1?(1、咖、打和。6。如果使用 运些金属，则可将0.5、1、2、3、4或5摩尔％的相应的金属氧化物结合入玻璃陶瓷。在一些实 施方式中，两种或更多种运类金属可结合入玻璃陶瓷。
[0033] 将用于形成玻璃陶瓷基材的原材料烙化，然后将其泽冷W形成玻璃。加热玻璃W 引发微晶的成核和生长并形成玻璃陶瓷。原材料可在1500°C或更高(例如1500、1550、1600、 1650或1700°C)的溫度下烙化W形成玻璃。将泽冷的玻璃在氧气(例如空气、氧气或含氧气 体)的存在下加热至结晶溫度。合适的形成玻璃陶瓷的结晶溫度为800°C或更高(例如800、 900U000或iioor)。在一些实施方式中，结晶溫度可与石墨締生长溫度相等。在陶瓷化过 程中，例如儀或钻的金属在其氧化还原电位的影响下会迁移至玻璃陶瓷表面W在玻璃陶瓷 表面上形成金属氧化物颗粒。
[0034] 离散的金属岛可通过在还原环境中对玻璃陶瓷进行热处理而由金属氧化物岛来 形成。例如，儀金属岛是通过NiO的还原来形成的，而钻金属岛是通过C〇3化的还原来形成的。 尽管金属岛是单独导电的，但是玻璃陶瓷的表面是不导电的、进而玻璃陶瓷基材的表面是 不导电的，运是因为在一些实施方式中，运些金属岛并未互相连接。
[0035] 石墨締层可使用CVD石墨締生长工艺在玻璃陶瓷基材上形成。石墨締的CVD生长可 通过W下方式来进行:在真空或大气压下、在升高的溫度下将含有金属岛的玻璃陶瓷表面 暴露于例如C2出、CH4或其它控的碳前体，并联用例如此的还原剂。石墨締形成溫度可至少为 800°C，例如至少为900°C。
[0036] 在CVD条件下，金属(例如Ni或Co)岛能够催化石墨締的形成。高溫石墨締生长条件 可引发金属纳米颗粒在玻璃