专利名称：一种利用多苯环碳源低温化学气相沉积生长大面积石墨烯的方法
技术领域：
本发明涉及一种石墨烯的制备方法，具体涉及一种利用多苯环碳源低温化学气相沉积生长大面积石墨烯的方法。
背景技术：
石墨烯是单层原子厚度的石墨，具有二维蜂窝状网格结构。由于石墨烯片平面内 JI轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。由于具有优异的力学、热学、电学和磁学性能，石墨烯有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存等领域获得广泛应用。石墨烯在结构上具有延展性，其电学、光学以及声学特性都可以通过应力和形变进行大幅调整。甚至可以改变石墨烯的带宽结构，对弯曲、折叠以及卷曲的石墨烯的研究也正开始加速。石墨烯拥有无与伦比的高电子迁移率，电荷在石墨烯中的迁移速率可以到达前所未有的200000cm2/VS，超过硅100倍以上。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。预计不久就会出现全由石墨烯构成的全碳电路并广泛应用于人们的日常生活中。传统制备方法在制备石墨烯过程中所需要的衬底温度大都在1000°C的高温下，而且高纯气源价格均比较昂贵。这无疑为材料的应用带来了很大的限制。因此寻找合适的实验技术在较低温的衬底上实现石墨烯的低温生长的研究成为当前该领域人们极为关注的方向。目前主流的低温衬底制备方法有等离子体辅助增强化学反应气相沉积法，化学还原氧化石墨烯法等。但是采用这些方法直接沉积的石墨烯面积很小，结晶质量差，而且缺陷很
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发明内容
本发明的目的在于克服以上现有技术的不足，提供一种利用多苯环碳源低温化学气相沉积生长大面积石墨烯的方法，以解决现有技术中制备的石墨烯面积小、结晶质量差、 缺陷多的技术问题。为解决上述技术问题，本发明采用固态或液态的多苯环芳香族碳氢化合物取代甲烷作为碳源，控制碳源的分解速率从而使腔室内碳活性基元达到足够低的分压，以实现使生长出的石墨烯的层数可控；并成功将其完整地转移至各种柔性衬底上，几乎没有任何宏观破损。本发明具体采用如下技术方案—种低温化学气相沉积生长大面积石墨烯的方法，其特征在于以多苯环芳香族碳氢化合物作为碳源，采用碳源分解法或碳源旋涂法在铜箔表面生长出石墨烯。优选的，所述多苯环芳香族碳氢化合物为苯或稠环芳烃。优选的，所述稠环芳烃选自萘、蒽、菲、芘、茈和六苯并苯等物质。
较佳的，所述铜箔为纯度不小于99. 99%的无氧铜箔，其典型厚度为50-200微米。较佳的，所述铜箔的表面粗糙度在50nm以下，优选为30nm以下。较佳的，在生长石墨烯之前，先将铜箔在保护气氛下进行退火处理，以使Cu晶粒长大，表面平坦无缺陷，释放铜箔表面应力。优选的，所述退火过程的温度保持在 900- 1050°C，气压在4000-10000Pa之间，退火时间控制在30_90min之间。优选的，所述保护气氛为氩气和氢气的混合气。更优选的，所述氩气与氢气的体积流量比为10-20 1。所用气体纯度均不小于99. 999%。较佳的，采用碳源分解法在铜箔表面生长石墨烯时，具体步骤包括将碳源放置在管式炉的进气端，将铜箔放置于所述管式炉的中央，控制所述管式炉中央区域温度为 400-7000C ；通入载气，并将碳源温度升至80-35(TC，在铜箔表面生长出石墨烯；然后，停止加热，随炉冷却至室温后取出生长有石墨烯的铜箔。优选的，采用碳源分解法在铜箔表面生长石墨烯时，所述碳源的重量为15_150mg。较佳的，采用碳源旋涂法在铜箔表面生长出石墨烯时，具体步骤包括将碳源溶于甲苯中制成混合液再旋涂于所述铜箔上，并将所述铜箔放置于管式炉中央；通入载气，并将管式炉的炉温升至400-700°C，在铜箔表面生长出石墨烯；然后，停止加热，随炉冷却至室温后取出生长有石墨烯的铜箔。优选的，所述混合溶液中，碳源与甲苯的重量体积比为5-20mg/ml。优选的，上述技术方案中，所述管式炉的升温速度为20-50°C /min。当炉温升至生长石墨烯所需的温度时，保温20-40min。优选的，上述技术方案中，石墨烯生长期间的工作气压为4000-10000Pa。优选的，上述技术方案中，所述载气为氩气和氢气的混合气。更优选的，所述氩气与氢气的体积流量比为10-20 1。所用气体纯度均不小于99. 999%。优选的，上述技术方案中，所述载气的流量为300-500sCCm。进一步的，本发明所提供的上述生长大面积石墨烯的方法，还包括将制备出的石墨烯转移至目标衬底上的如下步骤(1)在生长有石墨烯的铜箔表面旋涂一层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜；将其漂浮于过硫酸铵水溶液中腐蚀去除铜箔，随后用去离子水清掉溶液中的铜离子；(2)将去除铜箔后的PMMA/石墨烯转移到目标衬底上，再整体浸泡于丙酮中溶解去除PMMA，采用酒精清洗去除残留的丙酮，最后退火处理去除残留的PMMA。优选的，所述PMMA薄膜的厚度为200_400nm。优选的，步骤(2)中，所述退火处理于还原或者惰性气氛中进行，退火温度为 300-450°C，退火时间为 40-90min。优选的，所述还原或者惰性气氛选自氢气、氩气或者氢气和氩气的混合气。本发明采用固态或液态的多苯环芳香族碳氢化合物作为碳源，低温制备层数可控石墨烯技术对于石墨烯产业化应用具有重要意义，是一种具有很大潜力的大面积石墨烯生长的新技术。与现有石墨烯制备技术相比，本发明有如下优点1)本方法采用多苯环固态、液态碳源的方法制备层数可控石墨烯。含苯环的活性基元作为组成石墨烯的基本单元，通过控制固态、液态碳源的质量和气体流量，制备得到单层大面积石墨烯，并可以通过PMMA化学转移的方法转移至包括柔性衬底在内的各种衬底上，且几乎没有任何宏观破损。幻相对于传统化学气相法制备石墨烯。本方法采用固态或液态的多苯环芳香族碳氢化合物取代甲烷作为碳源，在较低温度下通过多苯环芳香族碳氢化合物分解产生的含苯环的活性单体在铜衬底催化下制备大面积石墨烯。控制固态、液态源分解速率使腔室内碳活性基元达到足够低的分压低温下得到高质量石墨烯，极大的降低了制备石墨烯的成本。3)本发明采用机械抛光和化学抛光的方法对衬底进行预处理，使衬底表面平整度达到< 50nm，使得在其上通过铜金属催化沉积得到的石墨烯具有较少的缺陷和良好的结晶性能。4)本发明的方法可减少高纯气体的消耗，降低制备温度并大大缩短制备时间，可降低大尺寸石墨烯的生产成本，从而为实现在柔性衬底上研制与开发出电学性能优异、制备成本低且环保的新一代石墨烯微电子器件提供实验依据和指导思路，最终实现以石墨烯为基础的微电子器件的大规模应用。
图1为本发明的低温化学气相沉积生长石墨烯的装置示意图；图2为机械抛光和电化学抛光后的铜箔表面的AFM照片；图3为本发明中铜箔表面催化生长石墨烯的光学显微镜照片。图4为本发明的多苯环碳源低温化学气相法制备石墨烯拉曼图。图5为本发明的苯碳源低温制备的到的石墨烯转移至石英衬底后的透过率图。图6为本发明的多苯环碳源低温制备石墨烯SEM照片。图7为本发明的萘碳源低温制备的到的石墨烯转移至石英衬底后的透过率图。图8为本发明的菲碳源低温制备的到的石墨烯转移至石英衬底后的透过率图。图9为本发明的芘碳源低温制备的到的石墨烯转移至石英衬底后的透过率图。图10为本发明的茈碳源低温制备的到的石墨烯转移至石英衬底后的透过率图。图11为本发明的六苯并苯碳源低温制备的到的石墨烯转移至石英衬底后的透过率图。
具体实施例方式本发明的主要创新之处在于在较低温度下通过多苯环芳香族碳氢化合物作为碳源分解产生的活性含苯环单体在铜衬底催化下制备层数可控石墨烯，以解决现有技术中制备的石墨烯面积小、结晶质量差、缺陷多的技术问题。为此，本发明提供了一种低温化学气相沉积生长大面积石墨烯的方法，该方法以多苯环芳香族碳氢化合物作为碳源，采用碳源分解法或碳源旋涂法在铜箔表面生长出石墨烯。本发明采用的固态或液态的多苯环芳香族碳氢化合物受热会分解成制备石墨烯所必须的含苯环活性基元，这些含苯环的活性基元作为组成石墨烯的基本单元，很容易在低温下通过金属衬底的催化和氢气的作用，形成大面积层数可控的石墨烯。本发明中所述的多苯环芳香族碳氢化合物是指常温下呈液态或固态且分子式中含有至少一个苯环的碳氢化合物。优选的，所述多苯环芳香族碳氢化合物为苯或稠环芳烃。更优选的，所述稠环芳烃选自萘、蒽、菲、芘、茈和六苯并苯等物质。
可选地，在上述技术方案中，所述铜箔为纯度不小于99. 99%的无氧铜箔，其典型厚度为50-200微米。例如可选用Alfa Aesar 99. 99%高纯无氧铜箔。可选地，在上述技术方案中，所述铜箔的表面粗糙度在50nm以下，优选为30nm以下。可通过先后采用机械抛光和电化学抛光的方法处理铜钼表面，达到使表面粗糙度达到 50nm以下。机械抛光和电化学抛光的方法均为本领域技术人员所熟知，例如可采用如下工艺条件机械抛光转速可选用800转/min ；电化学抛光液可选用体积比为3 1的85% 磷酸和聚乙二醇的混合液；电化学抛光的电压为1 2V，抛光时间1800s ；电化学抛光结束后将铜箔经丙酮超声清洗lOmin，再用25%盐酸超声清洗lOmin，最后用酒精将铜箔清洗干净。可选地，在上述技术方案中，在生长石墨烯之前，需先将表面粗糙度在50nm以下(优选为30nm以下)的铜箔在保护气氛下进行退火处理，以使Cu晶粒长大，表面平坦无缺陷，释放铜箔表面应力。优选的，所述退火过程的温度保持在900-1050°C，气压在 4000-10000Pa之间，退火时间控制在30-90min之间。优选的，所述保护气氛为氩气和氢气的混合气。更优选的，所述氩气与氢气的体积流量比为10 1。所用气体纯度均不小于 99. 999%。可选地，在上述技术方案中，采用碳源分解法在铜箔表面生长石墨烯时，具体步骤包括将碳源放置在管式炉的进气端，将铜箔放置于所述管式炉的中央，控制所述管式炉中央区域温度为400-700°C ；通入一定流量的载气，并将碳源温度升至80-350°C，在铜箔表面生长出石墨烯；然后，停止加热，随炉冷却至室温后取出生长有石墨烯的铜箔。每炉生长石墨烯所用的碳源的重量为15-150mg。可选地，在上述技术方案中，采用碳源旋涂法在铜箔表面生长出石墨烯时，具体步骤包括将碳源溶于甲苯中制成混合液再旋涂于所述铜箔上，并将所述铜箔放置于管式炉中央；通入一定流量的载气，并将管式炉的炉温升至400-700°C，在铜箔表面生长出石墨烯；然后，停止加热，随炉冷却至室温后取出生长有石墨烯的铜箔。优选的，所述混合溶液中，碳源与甲苯的重量体积比为5-20mg/ml。所述旋涂采用旋涂机进行，其转速为 1000-2000r/min。可选地，上述技术方案中，所述管式炉的升温速度为20-50°C /min。当炉温升至生长石墨烯所需的温度时，保温20-40min。石墨烯生长期间的工作气压为4000-10000Pa。可选地，上述技术方案中，所述载气为氩气和氢气的混合气。更优选的，所述氩气与氢气的体积流量比为10-20 1，优选为10 1。所用气体纯度均不小于99. 999%。可选地，上述技术方案中，所述载气的流量为300-500SCCm。可选地，上述技术方案中，还进一步包括将制备出的石墨烯转移至目标衬底上的如下步骤(1)在生长有石墨烯的铜箔表面旋涂一层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，又称有机玻璃)薄膜；将其漂浮于过硫酸铵水溶液中腐蚀去除铜箔，随后用去离子水清掉溶液中的铜离子；(2)将去除铜箔后的PMMA/石墨烯转移到目标衬底上，再整体浸泡于丙酮中溶解去除PMMA，采用酒精清洗去除残留的丙酮，最后退火处理去除残留的PMMA。所述旋涂PMMA薄膜的方法为本领域的技术人员所熟知，例如可将PMMA溶于有机溶剂(如苯酚，苯甲醚等)中，通过旋涂机旋涂于铜箔上。 优选的，所述PMMA薄膜的厚度为200-400nm。优选的，步骤(2)中，所述退火处理于还原或者惰性气氛中进行，退火温度为 300-450°C，退火时间为 40-90min。优选的，所述还原或者惰性气氛选自氢气、氩气或者氢气和氩气的混合气。本发明中，所述目标衬底包括但不限于各种金属衬底，还可以为用于半导体器件的各种衬底，例如硅、二氧化硅、绝缘体上硅(SOI)、II-VI或者III-V族化合物半导体衬底等(例如 Ge、GaAs、GaN, InP 等)。下面结合图示更完整的描述本发明，本发明提供的优选实施例，不应被认为仅限于在此阐述的实施例中。参考图是本发明的示意图，图中的表示只是示意性质的，不应该被认为限制本发明的范围。请参见图1，其为本发明的低温化学气相沉积生长石墨烯的装置示意图。图中箭头方向为载体流动方向，其中1为进气端，2为出气端，3为管式加热炉，4为碳源，5为铜箔，6 为回转泵。由于化学气相沉积工艺及其所用装置均为本领域技术人员所熟知，故在此不再赘述。实施例1 苯液态碳源低温生长大面积单层石墨烯(1)采用铜箔作为衬底，先后采用机械抛光和电化学抛光的方法处理铜衬底表面， 使表面粗糙度达到50nm以下。机械抛光转速800转/min。采用电化学工作站为抛光电源， 选用Ag/AgCl电极作为参比电极，选用体积比为3 1的85%磷酸和聚乙二醇混合液为电化学抛光液；将所需抛光的铜箔放置于正极，采用铜片作为负极；电化学抛光电压1 2V， 抛光时间1800 s。(2)电化学抛光结束后将铜箔经丙酮超声清洗lOmin，再用25%盐酸超声清洗 lOmin，最后用酒精将铜箔清洗干净。(3)将铜箔进行退火处理将铜箔在氢气和氩气混合气体的保护下升温至 1035°C，使Cu晶粒长大，表面平坦无缺陷，释放铜衬底表面应力。退火过程中腔室工作气压在4000-10000Pa之间，氢气流量为30sCCm，氩气流量300sCCm。铜箔退火所用气体纯度均为99. 999%，退火时间30min ；(4)待炉温降至室温后，将经过退火处理的铜箔放入管式炉高温加热区。同时称取苯液态碳源15mg于一端封闭的石英试管中，并将其放置于管式炉低温加热区。将炉温升至 500-700°C，同时加热苯液态碳源至150-200°C，氢气流量为30sccm氩气流量为300sccm，反应时间30min，工作气压为4000-10000Pa之间。最后停止加热液态源和管式炉，腔室降至室温后取出样品。化学气相反应所用载气纯度高于99. 999%。(5)采用旋涂机在石墨烯/铜箔表面旋涂一层PMMA/苯甲醚溶剂，溶剂配比为 PMMA 苯甲醚=1 9 (体积比)，旋涂机转速3000转/min，旋涂时间45s。PMMA膜厚度为 200-400nm。然后置于真空干燥箱中150°C干燥5min，去除有机溶剂。(6)将铜箔漂浮于浓度为0. lmol/L的过硫酸铵溶液中腐蚀去除铜，反应5h。随后选用去离子水清洗3-5遍，洗净溶液中的铜离子。(7)将去除铜箔后的PMMA/石墨烯转移到目标衬底上，再整体浸泡于丙酮中3h溶解去除PMMA，采用酒精缓慢清洗去除残留的丙酮，最后于450°C下在氢气和氩气混合气中退火处理衬底/石墨烯去除残留的PMMA。氢气、氩气的流量分别为lOOsccm和300sCCm，退火时间为40-90min。实施例结果图4为在600°C条件下制备得到的石墨烯的拉曼图，Raman测试表明该石墨烯结晶性较好，2D峰和G峰的峰强比1.75，同时D缺陷峰很小；在500°C和 700°C条件下制备得到的石墨烯的结晶性能与之基本相同。图5为在600°C条件下制备得到的石墨烯的透光率测试图，说明采用苯作为液态碳源得到石墨烯透过率达到96.6%，为单层石墨烯；在500°C和700°C条件下制备得到的石墨烯的透过率与之基本相同。如图6所示，光学照片表明，通过化学方法转移至玻璃衬底上的大面积石墨烯没有明显的宏观破损， 为完整的大面积单层石墨烯。实施例2 将实施例1中的苯液态碳源改为萘固态碳源15mg。生长石墨烯过程中萘固态源加热温度为80-120°C，其他工艺与实施例1相同。实施例结果图4为在600°C条件下制备得到的石墨烯的拉曼图，Raman测试表明该石墨烯结晶性较好，2D峰和G峰的峰强比I2D/Ie为1. 9，同时D缺陷峰很小；在500°C和 700°C条件下制备得到的石墨烯的结晶性能与之基本相同。图7为在600°C条件下制备得到的石墨烯的透光率测试图，说明采用萘作为固态碳源得到石墨烯透过率达到96.7%，为单层石墨烯；在500°C和700°C条件下制备得到的石墨烯的透过率与之基本相同。其光学照片表明，通过化学方法转移至玻璃衬底上的大面积石墨烯没有明显的宏观破损，为完整的大面积单层石墨烯。实施例3 将实施例1中苯液态碳源改为菲固态碳源15mg。生长石墨烯过程中菲固态源加热温度为100-150°C，其他工艺与实施例1相同。实施例结果图4为在600°C条件下制备得到的石墨烯的拉曼图，Raman测试表明该石墨烯结晶性较好，2D峰和G峰的峰强比1.65，同时D缺陷峰很小；在500°C和 700°C条件下制备得到的石墨烯的结晶性能与之基本相同。图8为在600°C条件下制备得到的石墨烯的透光率测试图，说明采用菲作为固态碳源得到石墨烯透过率达到96.5%，为单层石墨烯；在500°C和700°C条件下制备得到的石墨烯的透过率与之基本相同。其光学照片表明，通过化学方法转移至玻璃衬底上的大面积石墨烯没有明显的宏观破损，为完整的大面积单层石墨烯。实施例4 将实施例1中苯液态碳源改为芘固态碳源15mg。生长石墨烯过程中菲固态源加热温度为150-200°C，其他工艺与实施例1相同。实施例结果图4为在600°C条件下制备得到的石墨烯的拉曼图，Raman测试表明该石墨烯结晶性较好，2D峰和G峰的峰强比I2D/Ie为2. 0，同时D缺陷峰很小；在500°C和 700°C条件下制备得到的石墨烯的结晶性能与之基本相同。图9为在600°C条件下制备得到的石墨烯的透光率测试图，说明采用芘作为固态碳源得到石墨烯透过率达到96.5%，为单层石墨烯；在500°C和700°C条件下制备得到的石墨烯的透过率与之基本相同。其光学照片表明，通过化学方法转移至玻璃衬底上的大面积石墨烯没有明显的宏观破损，为完整的大面积单层石墨烯。实施例5 将实施例1中苯液态碳源改为茈固态碳源15mg。生长石墨烯过程中菲固态源加热温度为^0-350°C，其他工艺与实施例1相同。实施例结果图4为在600°C条件下制备得到的石墨烯的拉曼图，Raman测试表明该石墨烯结晶性较好，2D峰和G峰的峰强比1.94，同时D缺陷峰很小；在500°C和 700°C条件下制备得到的石墨烯的结晶性能与之基本相同。图10为在600°C条件下制备得到的石墨烯的透光率测试图，说明采用茈作为固态碳源得到石墨烯透过率达到96.7%，为单层石墨烯；在500°C和700°C条件下制备得到的石墨烯的透过率与之基本相同。其光学照片表明，通过化学方法转移至玻璃衬底上的大面积石墨烯没有明显的宏观破损，为完整的大面积单层石墨烯。实施例6 采用六苯并苯作为碳源生长石墨烯。将六苯并苯/甲苯混合溶液旋涂于铜箔表面，随后低温加热铜箔衬底催化生长石墨烯。(1)采用铜箔作为衬底，先后采用机械抛光和电化学抛光的方法处理铜衬底表面， 使表面粗糙度达到50nm以下；机械抛光转速800转/min。采用电化学工作站为抛光电源， 选用Ag/AgCl电极作为参比电极；采用体积比为3 1的85%磷酸和聚乙二醇混合液为电化学抛光液。所需抛光的铜箔放置于正极，采用铜片作为负极。电化学抛光电压1 2V，抛光时间1800s ；(2)电化学抛光结束后将铜箔经丙酮超声清洗lOmin，再用25%盐酸超声清洗 lOmin，最后用去离子水将铜箔冲洗干净；
(3)将铜箔进行退火处理将铜箔在氢气和氩气混合气体的保护下升温至 1035°C，使Cu晶粒长大，表面平坦无缺陷，释放铜衬底表面应力。退火过程中腔室工作气压在4000-10000Pa之间，氢气流量为30sCCm，氩气流量300sCCm。铜箔退火所用气体纯度均为99. 999%，退火时间30min ；(4)待炉温降至室温后，采用旋涂机在退火去应力的铜箔衬底上旋涂六苯并苯/ 甲苯溶液，溶液浓度为5-20mg/mL。旋涂机转速1200转/min，旋涂时间30s，随后放置于 150°C的加热炉中烘干；(5)将旋涂有六苯并苯固态源的铜箔衬底放入腔室中，将炉温升温至500-700°C， 氢气流量为30sCCm氩气流量300sCCm，反应时间30min，最后停止加热使石英管降至室温。 工作气压为4000-10000Pa之间。化学气相反应所用载气纯度高于99. 999% ；(6)采用旋涂机在石墨烯/铜箔表面旋涂一层PMMA/苯甲醚溶剂，溶剂配比为 PMMA 苯甲醚=1 9 (体积比)，旋涂机转速为3000转/min，旋涂时间45s。PMMA厚度为 200-400nm。然后置于真空干燥箱中150°C干燥5min，去除有机溶剂；(7)将铜箔漂浮于浓度为0. lmol/L的过硫酸铵溶液中腐蚀去除铜，反应5h。随后选用去离子水清洗3-5遍，洗净溶液中的铜离子；(8)将去除铜箔后的PMMA/石墨烯转移到目标衬底上，再整体浸泡于丙酮中3h溶解去除PMMA，采用酒精缓慢清洗去除残留的丙酮，最后于450°C下在氢气和氩气混合气中退火处理衬底/石墨烯去除残留的PMMA。氢气、氩气的流量分别为lOOsccm和300sCCm，退火时间为40-90min。实施例结果图4为在600°C条件下制备得到的石墨烯的拉曼图，Raman测试表明通过直接将六苯并苯悬涂在Cu箔表面，利用化学气相反应同样可以制备得到的高结晶质量石墨烯，2D峰和G峰的峰强比I2D/Ie为1. 6，同时D缺陷峰很小；在500°C和700°C条件下制备得到的石墨烯的结晶性能与之基本相同。图11为在600°C条件下制备得到的石墨烯的透光率测试图，其透过率达到96. 5%，为单层石墨烯；在500°C和700°C条件下制备得到的石墨烯的透过率与之基本相同。其光学照片表明，通过化学方法转移至玻璃衬底上的大面积石墨烯没有明显的宏观破损，为完整的大面积单层石墨烯。
权利要求
1.一种化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于以多苯环芳香族碳氢化合物作为碳源，采用碳源分解法或碳源旋涂法在铜箔表面生长出石墨烯。
2.如权利要求1所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于所述多苯环芳香族碳氢化合物为苯或稠环芳烃。
3.如权利要求2所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于所述稠环芳烃选自萘、蒽、菲、芘、茈和六苯并苯。
4.如权利要求1所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于所述铜箔的表面粗糙度在50nm以下。
5.如权利要求1或4所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于在生长石墨烯之前，先将所述铜箔在保护气氛下进行退火处理，所述退火过程的温度保持在 900-1050°C，气压在4000-10000Pa之间，退火时间控制在30_90min之间。
6.如权利要求1所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于所述保护气氛为氩气和氢气的混合气。
7.如权利要求1所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于采用碳源分解法在铜箔表面生长石墨烯时，具体步骤包括将碳源放置在管式炉的进气端，将铜箔放置于所述管式炉的中央，控制所述管式炉中央区域温度为400-700°C ；通入载气，并将碳源温度升至80-350°C，在铜箔表面生长出石墨烯；然后，停止加热，随炉冷却至室温后取出生长有石墨烯的铜箔；采用碳源旋涂法在铜箔表面生长出石墨烯时，具体步骤包括将碳源溶于甲苯中制成混合液再旋涂于所述铜箔上，并将所述铜箔放置于管式炉中央；通入载气，并将管式炉的炉温升至400-700°C，在铜箔表面生长出石墨烯；然后，停止加热，随炉冷却至室温后取出生长有石墨烯的铜箔。
8.如权利要求7所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于采用碳源分解法在铜箔表面生长石墨烯时，所述碳源的重量为15-150mg ；采用碳源旋涂法在铜箔表面生长出石墨烯时，所述混合溶液中，碳源与甲苯的重量体积比为 5-20mg/ml。
9.如权利要求7-8任一所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于当炉温升至生长石墨烯所需的温度时，保温20-40min;石墨烯生长期间的工作气压为 4000-10000Pa。
10.如权利要求9所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于所述载气为氩气和氢气的混合气。
11.如权利要求1-4、6-8或10中任一所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于还包括将制备出的石墨烯转移至目标衬底上的如下步骤(1)在生长有石墨烯的铜箔表面旋涂一层PMMA薄膜；将其漂浮于过硫酸铵水溶液中腐蚀去除铜箔，随后用去离子水清掉溶液中的铜离子；(2)将去除铜箔后的PMMA/石墨烯转移到目标衬底上，再整体浸泡于丙酮中溶解去除 PMMA，采用酒精清洗去除残留的丙酮，最后退火处理去除残留的PMMA。
12.如权利要求11所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于步骤(2)中， 所述退火处理于还原或者惰性气氛中进行，退火温度为300-450°C，退火时间为40-90min。
13.如权利要求12所述的化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于所述还原或者惰性气氛选自氢气、氩气或者氢气和氩气的混合气。
全文摘要
本发明公开了一种多苯环碳源低温化学气相沉积生长大面积石墨烯的制备方法，以多苯环芳香族碳氢化合物作为碳源，采用碳源分解法或碳源旋涂法在铜箔表面生长出石墨烯。制得的石墨烯表面光滑平整、面积大、层数可控。相比传统的高温CVD法制备石墨烯薄层的方法，其制造成本大大降低，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射电子器件等方面具有巨大的应用潜力。
文档编号C23C16/02GK102433544SQ20121000758
公开日2012年5月2日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者丁古巧, 吴天如, 唐述杰, 孙雷, 江绵恒, 沈鸿烈, 谢晓明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 南京航空航天大学