一种低成本均匀制备石墨烯薄膜的方法与流程

本发明涉及石墨烯薄膜的制备技术领域，尤其涉及一种低成本均匀制备石墨烯薄膜的方法。

背景技术：

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烯，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迁移率超过15000cm2/V·s，超过碳纳米管和硅晶体，而电阻率只约10^-6Ω·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。

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，申请号201310043092.7的专利文件公开了一种制备双层石墨烯的化学气相沉积方法，该方法在一定温度下利用还原性气体和惰性气体的氛围，调节碳源气体的流量和反应腔的压强，在金属基底表面生长双层石墨烯薄膜。另一件申请号201310146491.6的专利也公开了一种低温高效制备大尺寸石墨烯的方法，该方法解决了传统CVD方法制备石墨烯中存在的制备温度高，制备时间长，且成本较高的问题。但目前的方法，对于生长过程均采用进气伴随抽气的方式控制腔体压强完成石墨烯生长。然而，石墨烯的生长只需要极小量的碳源和载气，因此气体利用率极低，造成大部分反应气体均无故浪费，尤其对规模制备的成本大大增加。高质量石墨烯对生长环境要求极高，真空泵抽气不稳定会导致生长压强波动，造成制备出的石墨烯薄膜均匀性不好，从而导致石墨烯薄膜整体的电学性能远远低于理论值。

技术实现要素：

为了克服上述背景技术中的缺点和不足，本发明公开了一种低成本均匀制备石墨烯薄膜的方法，该方法步骤如下：

1)升温进气：将金属基底放入CVD反应腔中，将CVD反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气，通入流量为10～50sccm的还原性气体，当腔体压强为500～3000Pa时，停止通气，腔体保持停止通气前的压强；

2)基底高温退火：保持步骤1)中腔内压强，将反应腔温度升至900℃-1050℃，金属基底进行退火处理30min以上，完成基底退火；

3)通入碳源：将反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气，通入甲烷、乙烯等碳源气体，气体流量为2～10sccm，氢气流量为10～100sccm，当腔体压强为50～500Pa时，停止通气并关闭真空泵不再抽气，腔体保持停止通气前的压强，使反应气体在高温下裂解，自由扩散至金属表面；

4)石墨烯薄膜生长：保持步骤3)中的环境5～10分钟，使石墨烯在金属表面成核，然后生长成石墨烯薄膜；

5)冷却：将反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气，通入Ar或N₂等惰性气体，流量为20sccm至反应腔压强为500～7000Pa，停止通气，将基底和石墨烯进行冷却降温，完成石墨烯薄膜的制备。

本发明所涉及的方法中，金属基底为适合石墨烯生长的金属催化剂基底，可以是Cu，Ru，Ni，Ir，Pt等。

本发明所涉及的方法中，在升温进气过程中，还原性气体可为H₂、N₂、Ar及其混合气体。

本发明所涉及的方法中，金属基底为石墨烯薄膜生长的衬底，该衬底可以是单衬底或多衬底，衬底层数由CVD反应腔体的大小决定，可完成多层石墨烯薄膜的制备。

与现有技术相比，本发明提供的一种低成本均匀制备石墨烯薄膜的方法的有益效果有以下几点：

1.大量减少了反应气体的用量，有效利用反应气体制备石墨烯，降低了石墨烯制备成本；

2.在制备过程中省略了持续抽气环节，大大降低了真空泵损耗和能耗，快速生长石墨烯，具有工业化优点；

3.生长环境稳定性高，解决了原有连续进气气体流量和抽气阀门不稳定造成的生长环境压力和气体比例的波动问题；

4.采用通气至反应压强后断气且不抽气的方式保持腔体压强，使气体在金属催化剂表面自由扩散且均匀分布，显著提高了石墨烯薄膜的方阻均匀性，从而提高石墨烯质量。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种低成本均匀制备石墨烯薄膜的方法流程图；

图2为实施例1中所制得的石墨烯薄膜的方块电阻正态分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

实施例1

本实施例提供了一种低成本均匀制备石墨烯薄膜的方法，该方法的流程图如图1所示，具体步骤为：

1.将一片铜箔基底放入CVD反应腔中，将CVD反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气，通入流量为10sccm的氢气，当腔体压强为3000Pa时，停止通气。

2.将反应腔的温度升至1050℃，金属基底进行退火处理，保持40min。

3.将反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气。通入甲烷和氢气的混合气体，气体流量分别为2sccm和10sccm，当腔体压强为200Pa时，停止通气，使反应气体在高温下裂解，自由扩散至金属表面。

4.保持步骤3所示环境10分钟，使石墨烯在金属表面成核，然后生长成石墨烯薄膜。

5.将反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气。通入流量为20sccm的氩气，至反应腔压强为2000Pa，停止通气，将基底和石墨烯进行冷却至室温，完成石墨烯薄膜的制备。

本实施例所制得的石墨烯薄膜的方块电阻正态分布图如图2所示。

实施例2

本实施例提供了一种低成本均匀制备石墨烯薄膜的方法，该方法的流程图如图1所示，具体步骤为：

1.将2片铜箔分别夹在3片石英板之间，一并放入CVD反应腔中，将CVD反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气，通入流量为10sccm的氢气，当腔体压强为3000Pa时，停止通气。

2.将反应腔的温度升至1050℃，金属基底进行退火处理，保持40min。

3.将反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气。通入甲烷和氢气的混合气体，气体流量分别为2sccm和100scmm，当腔体压强为100Pa时，停止通气，使反应气体在高温下裂解，自由扩散至金属表面，保持3分钟，完成石墨烯成核。

4.再次通入甲烷和氢气的混合气体，气体流量分别为10sccm和10sccm，当腔体压强为300Pa时，停止通气保持5分钟，完成石墨烯生长成膜。

5.将反应腔抽真空至2Pa以下，停止抽气。通入流量为20sccm的氩气，至反应腔压强为2000Pa，停止通气，将基底和石墨烯进行冷却至室温，完成石墨烯薄膜的制备。

本发明提供的方法主要过程为升温进气，基底高温退火，通入碳源，石墨烯薄膜生长和冷却过程。本发明可以通过不抽气并通入微量反应气体至反应压强，解决了石墨烯制备中反应气体的不必要损耗，大大降低了反应气体用量。在制备过程中省略了持续抽气环节，大大降低了真空泵损耗和能耗，气体在腔体中自由扩散，显著提高了石墨烯薄膜的方阻均匀性，从而提高石墨烯质量。