一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法

一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法
【专利摘要】本发明涉及石墨烯薄膜的制备【技术领域】，尤其涉及一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法。一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：在金属基底上涂布一层碳源溶液，并烘干碳源溶液至固化；将金属基底表面固化后的碳源溶液图形化形成多个固态碳源；将整个金属基底放入CVD反应腔中，进行石墨烯成核，使得固态碳源的碳原子重组定点成核；在碳原子重组定点成核后，碳原子扩散至整个金属基底上，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。本发明的有益效果是：步骤简单、操作方便、减少了能耗，提高了生产效率，可通过涂布碳源溶液的量来控制石墨烯薄膜生产数量，简单方便。
【专利说明】一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法

【技术领域】
[0001〕 本发明涉及石墨稀薄膜的制备【技术领域】，尤其涉及一种低温定点成核制备石墨稀薄膜的方法。

【背景技术】
[0002]石墨烯是碳原子基于邓2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，八11(11*6 和1(01181:51111:111价凡0861(^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15000(^2/^，8，超过碳纳米管和硅晶体，而电阻率只约10—6 0 -0111,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]目前工业上普遍采用化学气相沉积法(化学气相沉积法也称为”0法，”0即为01161111081 061)0811:1011的简称)作为制备大面积石墨稀的方法。但是对于组成石墨烯薄膜的单晶片大小，成核位置和成核密度，石墨烯薄膜的层数，都难以控制，从而导致石墨烯薄膜整体的电学性能远远低于理论值。


【发明内容】

[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种低温定点成核石墨烯薄膜的方法，克服了传统石墨烯薄膜制备方法成核位置、成核密度以及薄膜层数控制困难，生产出的石墨烯电学性能差的缺陷。
[0005]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]1)在金属基底上涂布一层碳源溶液(所谓的碳源溶液是指含碳氢氧的聚合物碳源)，并烘干碳源溶液至固化；
[0007]2)将金属基底表面固化后的碳源溶液图形化形成多个固态碳源；
[0008]3)将整个金属基底放入”0反应腔中，进行石墨烯成核，使得固态碳源的碳原子重组定点成核；
[0009]4)在碳原子重组定点成核后，碳原子扩散至整个金属基底上，形成石墨烯薄膜；
[0010]5)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。
[0011]本发明的有益效果是:步骤简单、操作方便、减少了能耗，提高了生产效率，可通过涂布碳源溶液的量来控制石墨烯薄膜生产数量，简单方便。
[0012]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0013]进一步，在所述步骤1)中，所述碳源溶液可以为聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的共聚物、聚醚、聚酯、聚烯烃中的任意一种。
[0014]采用上述进一步方案的有益效果是:采用上述碳源溶液有利于制备出高质量的石墨烯薄膜。
[0015]进一步，在所述步骤1)中，采用的金属基底为经过退火的011、仙、附、11~、等金属中的任意一种。
[0016]采用上述进一步方案的有益效果是:采用上述退火后的金属作为金属基底，有利于石墨烯薄膜的生长。
[0017]进一步，在所述步骤1)中，先将金属基底平整的铺放在硅片上，再在金属基底上涂布一层浓度为10%的所述碳源溶液，并通过甩胶机以300017^甩胶转速进行508的甩胶，使得碳源溶液均匀涂布。
[0018]采用上述进一步方案的有益效果是:操作简单方便，使得碳源溶液均匀涂布，可以通过涂布的碳源溶液的量控制石墨烯薄膜的生产层数。
[0019]进一步，在所述步骤1)中，将碳源溶液烘干至固化过程中的具体操作为:将放置有涂有碳源溶液的金属基底的硅片放入到温度为1101:的烘干炉中烘干碳源溶液至固化，烘干时间为20分钟。
[0020]采用上述进一步方案的有益效果是:烘干温度较低，采用低温操作，降低能源损耗。
[0021]进一步，在所述步骤2)中，采用等离子体刻蚀方法将金属基底表面固化的碳源溶液进行图形化形成多个固态碳源，每平方毫米金属基底上分布一个面积为0.25皿2的固态碳源，所述固态碳源的厚度为40?8011111。
[0022]采用上述进一步方案的有益效果是:通过控制石墨烯的成核点和成核密度，以及控制碳源量，从而控制石墨烯薄膜的生长质量和层数，提高石墨烯薄膜的质量。
[0023]进一步，在所述步骤3)中，将整个金属基底放入”0反应腔中，通入流量分别为200800111和508“111的氩气和氢气，且反应腔中的反应温度为400?5001，反应压强为常压，使得固态碳源的碳原子重组定点成核。
[0024]采用上述进一步方案的有益效果是:适当的反应环境有利于碳源的碳原子重组，使得碳原子定点成核，为下一步工艺做铺垫。
[0025]进一步，在所述步骤4)中，当固态碳源先进行了碳原子重组定点成核后，整个金属基底在反应腔中，以生长环境保持生长20?40分钟，生长环境的压强为常压、温度为400?5001:、并通入流量分别为2008“111和508“111的氩气和氢气，使得碳原子扩散至整个金属基底上，形成石墨稀薄膜。
[0026]采用上述进一步方案的有益效果是:反应温度较低，节省了升温降温的时间和能源消耗，同时，有利于石墨烯薄膜成形。
[0027]进一步，所述步骤5)中，石墨稀薄膜在冷却降温过程中，通入流量分别为2008(^111和508⑶III的氩气和氢气，直至石墨烯薄膜冷却至室温为止，完成石墨烯薄膜的制备。
[0028]采用上述进一步方案的有益效果是:使得石墨烯薄膜迅速降温，持续通入气体使得石墨烯薄膜成形质量稳定，提高石墨烯薄膜的质量。

【专利附图】

【附图说明】
[0029]图1为本发明一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法的工艺流程图；
[0030]图2为本发明一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法在涂布碳源溶液时的侧视图；
[0031]图3为本发明一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法的图形化的固态碳源在金属基底上的侧视图；
[0032]图4为本发明一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法的图形化的固态碳源在金属基底上的俯视图；
[0033]图5为本发明一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法的制备完成的石墨烯薄膜在金属基底上的侧视图。
[0034]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0035]1、金属基底，2、碳源溶液，3、固态碳源，4、石墨稀薄膜。

【具体实施方式】
[0036]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0037]如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明一种低温定点成核制备石墨烯薄膜4的方法，包括以下步骤:1)涂布碳源溶液2，即在金属基底1上涂布一层碳源溶液2，并烘干碳源溶液2至固化；2〉图形化形成固态碳源3，即将金属基底1表面固化了的碳源溶液2图形化形成多个固态碳源3 ；3〉定点成核，即将整个金属基底1放入反应腔中，进行石墨烯定点成核，使得固态碳源3的碳原子重组定点成核；幻生长成薄膜，即在碳原子重组定点成核后，碳原子扩散至整个金属基底1上，形成石墨烯薄膜4 ；5〉冷却，即对生成的石墨烯薄膜4进行冷却降温，完成石墨烯薄膜4的制备。
[0038]其中，在所述步骤1)中，所述碳源溶液2可以为聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的共聚物、聚醚、聚酯、聚烯烃等中的任意一种。采用的金属基底1可以为经过退火的附、铜箔等金属中的任意一种。采用上述的碳源溶液和金属基底有利于制备石墨烯薄膜。
[0039]针对上述方法步骤，在对应步骤有具体如下操作:
[0040]如图2所示，在所述步骤1)中，先将金属基底1平整的铺放在硅片上，再在金属基底1上涂布一层浓度为10%的所述碳源溶液2，并通过甩胶机以300017^甩胶转速进行508的甩胶，使得碳源溶液2均匀涂布。将碳源溶液2烘干至固化过程中的具体操作为:将放置有涂有碳源溶液2的金属基底1的硅片放入到温度为1101:的烘干炉中烘干碳源溶液2至固化，烘干时间为20分钟。碳源溶液2用于提供固态碳源3，通过控制涂布的碳源溶液2的量来控制固化后的碳源的量，从而控制固态碳源3的涂布量，简单方便的控制了石墨烯薄膜4的生产数量。
[0041]如图3、图4所示，在所述步骤2)中，采用等离子体刻蚀方法将金属基底1表面固化的碳源溶液2进行图形化形成多个固态碳源3，每平方毫米金属基底1上分布一个面积为0.25臟2的固态碳源3，所述固态碳源3的厚度为40?8011111，此固态碳源3量用于生成单层石墨烯薄膜4，若要生成多层石墨烯薄膜4，对应增加固态碳源3的量，固态碳源3的量控制简单方便。在所述步骤3)中，将整个金属基底1放入反应腔中，通入流量分别为200800111和508“111的氩气和氢气，且…!)反应腔中的反应温度为400?5001，反应压强为常压，使得碳原子重组在图形化的固态碳源3上定点成核。
[0042]如图5所示，在所述步骤4)中，当固态碳源3先进行了碳原子重组定点成核后，整个金属基底1在￠^0反应腔中，以生长环境保持生长20?40分钟，生长环境的压强为常压、温度为400?5001:、并通入流量分别为2008“111和508“111的氩气和氢气，使得碳原子扩散至金属基底1的整个金属基底1上，形成石墨稀薄膜4。所述步骤5)中，石墨稀薄膜4在冷却降温过程中，通入流量分别为2008(3(3111和508(3(3111的氩气和氢气，直至石墨稀薄膜4冷却至室温为止，完成石墨稀薄I吴4的制备。
[0043]由上述方法本发明现采用铜箔作为金属基底、?1嫩溶液嫩溶液即为聚甲基丙烯酸甲酯溶液)作为碳源溶液进行举例说明，可以采用以下实施例，但并不局限于以下实施例。
[0044]实施例一:
[0045]将5(^X5(3111的退火后的铜箔平整的放在硅片上，均匀涂布上浓度为10%的？圆\溶液，然后用甩胶机以转速为300017^的速度旋转50秒，完成？1嫩溶液的均匀涂布。然后将硅片、铜箔放入到烘干炉中加热至1101:，进行20分钟加热，使得？遍仏溶液烘干固化。然后采用等离子体刻蚀的方法，使得铜箔表面固化的图形化成为固态碳源3，图形化后的固态碳源3以每平方毫米铜箔表面上分布一个固态碳源3分布，每个固态碳源3的面积大小为0.25平方毫米，每个固态碳源3的厚度为仙鹽，完成固态碳源3的数量分布布置。然后将铜箔放入”0反应腔中，通入流量分别为2008“111和508“111的氩气和氢气，调整反应腔的压强为常压，反应温度为4001，保持生长40分钟，使得碳原子重组在图形化的固态碳源3上定点成核，定点成核后碳原子扩散至整个铜箔基底上，形成石墨烯薄膜4。最后，停止加热，并继续保持通入流量分别为2008“111和508“111的氩气和氢气，冷却石墨烯薄膜4至室温，完成石墨烯薄膜4的制备。
[0046]实施例二:
[0047]将5(^X5(3111的退火后的铜箔平整的放在硅片上，均匀涂布上浓度为10%的？圆\溶液，然后用甩胶机以转速为300017^的速度旋转50秒，完成？1嫩溶液的均匀涂布。然后将硅片、铜箔放入到烘干炉中加热至1101:，进行20分钟加热，使得？遍仏溶液烘干固化。然后采用等离子体刻蚀的方法，使得铜箔表面固化的图形化成为固态碳源3，图形化后的固态碳源3以每平方毫米铜箔表面上分布一个固态碳源3分布，每个固态碳源3的面积大小为0.25平方毫米，每个固态碳源3的厚度为60=%完成固态碳源3的数量分布布置。然后将铜箔放入”0反应腔中，通入流量分别为2008“111和508“111的氩气和氢气，调整反应腔的压强为常压，反应温度为4501，保持生长30分钟，使得碳原子重组在图形化的固态碳源3上定点成核，定点成核后碳原子扩散至整个铜箔基底上，形成石墨烯薄膜4。最后，停止加热，并继续保持通入流量分别为2008“111和508“111的氩气和氢气，冷却石墨烯薄膜4至室温，完成石墨烯薄膜4的制备。
[0048]实施例三:
[0049]将5(^X5(3111的退火后的铜箔平整的放在硅片上，均匀涂布上浓度为10%的？圆\溶液，然后用甩胶机以转速为300017^的速度旋转50秒，完成？1嫩溶液的均匀涂布。然后将硅片、铜箔放入到烘干炉中加热至1101，进行20分钟加热，使得碳源溶液2烘干固化。然后采用等离子体刻蚀的方法，使得铜箔表面固化的？遍仏图形化成为固态碳源3，图形化后的固态碳源3以每平方毫米铜箔表面上分布一个固态碳源3分布，每个固态碳源3的面积大小为0.25平方毫米，每个固态碳源3的厚度为8011111，完成固态碳源3的数量分布布置。然后将铜箔放入”0反应腔中，通入流量分别为2008“111和508“111的氩气和氢气，调整反应腔的压强为常压，反应温度为5001，保持生长20分钟，使得碳原子重组在图形化的固态碳源3上定点成核，定点成核后碳原子扩散至整个铜箔基底上，形成石墨烯薄膜4。最后，停止加热，并继续保持通入流量分别为2008“111和508“111的氩气和氢气，冷却石墨烯薄膜4至室温，完成石墨烯薄膜4的制备。
[0050]本发明的方法的优点在于:1)在低温下生长石墨烯，减少了升降温时间和能源损耗，适合工业化；2〉在生长过程中除去了现有方法需要气体的碳源和氢气的成本，即需要将碳源转换成气态的成本保持在常压的环境进行，节约了能源损耗；幻对石墨烯的成核点精密可控，形成大面积单晶片；5〉可通过碳源涂布量即碳源溶液2的涂布量来控制石墨烯薄膜的层数，操作简单方便。
[0051]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种低温定点成核制备石墨稀薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)在金属基底(I)上涂布一层碳源溶液(2)，并烘干碳源溶液(2)至固化； 2)将金属基底⑴表面固化后的碳源溶液(2)图形化形成多个固态碳源⑶； 3)将整个金属基底(I)放入CVD反应腔中，进行石墨烯成核，使得固态碳源(3)的碳原子重组定点成核； 4)在碳原子重组定点成核后，碳原子扩散至整个金属基底(I)上，形成石墨烯薄膜(4); 5)对生成的石墨烯薄膜(4)进行冷却降温，完成石墨烯薄膜(4)的制备。
2.根据权利要求1所述的一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤I)中，所述碳源溶液(2)可以为聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的共聚物、聚醚、聚酯、聚烯烃中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤I)中，采用的金属基底(I)为经过退火的Cu、Ru、N1、Ir、Pt等金属中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤I)中，先将金属基底(I)平整的铺放在硅片上，再在金属基底(I)上涂布一层浓度为10%的所述碳源溶液(2)，并通过甩胶机以3000r/m甩胶转速进行50s的甩胶，使得碳源溶液(2)均匀涂布。
5.根据权利要求3所述的一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤I)中，将碳源溶液(2)烘干至固化过程中的具体操作为:将放置有涂有碳源溶液(2)的金属基底⑴的硅片放入到温度为110°C的烘干炉中烘干碳源溶液(2)至固化，烘干时间为20分钟。
6.根据权利要求3所述的一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，采用等离子体刻蚀方法将金属基底(I)表面固化的碳源溶液(2)进行图形化形成多个固态碳源(3)，每平方毫米金属基底(I)上分布一个面积为0.25mm2的固态碳源(3)，所述固态碳源(3)的厚度为40?80nmo
7.根据权利要求3所述的一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤3)中，将整个金属基底(I)放入CVD反应腔中，通入流量分别为200SCCm和50SCCm的氩气和氢气，且CVD反应腔中的反应温度为400?500°C，反应压强为常压，使得固态碳源(3)的碳原子重组定点成核。
8.根据权利要求7所述的一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤4)中，当固态碳源(3)先进行了碳原子重组定点成核后，整个金属基底(I)在CVD反应腔中，以生长环境保持生长20?40分钟，生长环境的压强为常压、温度为400?500°C、并通入流量分别为200sCCm和50sCCm的氩气和氢气，使得碳原子扩散至整个金属基底(I)上，形成石墨烯薄膜(4)。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种低温定点成核制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述步骤5)中，石墨烯薄膜(4)在冷却降温过程中，通入流量分别为200sCCm和50SCCm的氩气和氢气，直至石墨烯薄膜(4)冷却至室温为止，完成石墨烯薄膜(4)的制备。
【文档编号】C23C16/26GK104498892SQ201410768777
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】高翾, 黄德萍, 李占成, 张永娜, 朱鹏, 姜浩, 史浩飞, 杜春雷 申请人:中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆墨希科技有限公司