一种三维非催化性基底负载石墨烯薄膜结构及其在低温环境下的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料技术领域，涉及一种三维非催化性基底负载石墨烯薄膜结构及其在低温环境下的制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种由单层碳原子构成的具有六角型蜂巢状晶格结构的二维晶体。由于具有低维量子特性和独特sp2杂化形成的大键，其自由电子气表现为二维无质量狄拉克费米子气，因而石墨烯表现出在可见光区吸收仅为2.3%的较好透光性与高达15，000cm2V-ls-l的超高电子迀移率等的光电特性。同时，石墨烯材料还具有高热导率和超强的机械性能，这些优异的特性使得石墨烯材料有望成为一种划时代的透明导电薄膜。
[0003]然而在多数光电器件的应用报道中，石墨烯作为透明导电薄膜，多是从催化性衬底(例如:铜箔、镍箔等)表面，通过转移方法将石墨烯转移到半导体或绝缘体等目标衬底得来，该转移步骤往往给石墨烯表面带来的残胶，褶皱，撕裂，杂质，缺陷等问题，从而大大降低了石墨烯的性能，进而影响光电器件的应用。寻求一种能够直接将石墨烯沉积到非催化性衬底上的石墨烯制备方法，是解决以上问题的关键。
[0004]等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)是一种生长石墨烯的关键方法。在生长石墨烯的过程中，等离子体能够提供高能电子、受激发的分子与原子、自由基团等多种活性物质，从而“PECVD”在沉积纳米结构材料时候具有很多优点，例如，衬底生长温度低，样品生长速率快，纳米结构排序易控制等。这些优点，注定了 “PECVD”是一种直接的，快速的将石墨烯制备到半导体，绝缘体等非催化性衬底上的合适方法。利用该方法制备石墨烯，避免了转移步骤对石墨烯带来的危害，从而大大拓宽了石墨烯在石墨烯基的微机电系统(MEMS)器件与太阳能电池、超级电容器等光电器件领域的应用范围。
[0005]目前为止，利用PECVD法，在半导体或绝缘体等非催化性基底上制备石墨烯的少数报道中，多是在大于650°C的较高温度下，某一种或少数种材料的平面非催化性基底上制备，这就导致很多具有较低熔点的材料不能直接被用来制备石墨烯。同时，在基于石墨烯透明导电薄膜的器件应用中，报道的多数器件是由各种微观结构的光学元件组成。所以，较高温度下，平面非催化性基底上制备的石墨烯，难以满足其在各种材料与各种微观结构器件中的应用。故，寻找一种“PECVD”共形石墨烯生长的普适性方法迫在眉睫，该方法要求能够满足不同类型材料的非催化性基底生长，且同时满足表面具有不同微观结构的非催化性基底生长。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维非催化性基底负载石墨烯薄膜结构及其在低温环境下的制备方法，所述结构的石墨烯薄膜连续均匀，并且其基片可采用不同类型的材料，并且其制备方法操作简便，制作周期短，制作成本低，并且可在较低温度的条件下即可完成实现。
[0007]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0008]1、一种三维非催化性基底负载石墨烯薄膜结构，所述结构包括非催化性基片机体，机体表面上刻蚀的三维结构，以及覆盖在整个表面的石墨烯薄膜。
[0009]优选的，所述三维结构呈周期性排列或者非周期性排列，所述三维结构为光栅、纳米孔，纳米线，纳米棒，金字塔、台阶结构中的一种或几种。
[0010]2、所述三维非催化性基底负载石墨烯薄膜结构的制备方法，其特征在于，步骤如下:
[0011]A.通过光刻，离子刻蚀或湿法刻蚀在非催化性基底上制备三维结构，并清洗干净及干燥；
[0012]B.将经过步骤A的基底置于等离子体增强化学气相沉积装置的控温腔体中，排尽腔体内的空气，然后向腔体中填充保护气体；
[0013]C.将步骤B填充保护气体后的控温腔体抽真空至生长的真空状态，然后升温至500-650°C，通入碳源气体和起载流作用的保护气体，打开等离子体增强源，维持气压在l-10Pa，使石墨烯薄膜在三维结构的非催化性基片表面直接生长60-120min ;
[0014]D.待步骤C石墨烯薄膜生长结束后，立即关闭等离子体增强源，并停止向控温腔体中通入碳源气体，将控温腔体在保护气体和石墨烯薄膜生长压强下速降温至10-30°C，取出三维结构的非催化性基底，其全表面即覆盖有连续均匀的石墨烯薄膜。
[0015]优选的，所述非催化性基底为熔点低于石墨烯薄膜的生长温度且在石墨烯薄膜生长温度条件下稳定不蒸发的无机材料。
[0016]优选的，所述非催化性基底为二氧化硅、硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化硅、碳化硅、
氧化锌或氧化铝。
[0017]优选的的，所述保护气体为氮气、氢气、氩气、氦气、氖气、氪气和氣气中的一种或几种混合，所述碳源气体为甲烷、乙烯、乙炔、甲醇、乙醇、苯和甲苯气体中的一种或几种混入口 ο
[0018]优选的，步骤Α所述清洗方式如下:将三维结构的非催化性基底依次置丙酮、95vol%乙醇、水中各超声清洗10-15min，然后用氮气吹干。
[0019]优选的，步骤B中排尽控温腔体内空气的方法如下:将控温腔体抽真空至l_5Pa，然后填充保护气体至latm，再重复上述抽真空、填充保护气体的操作，直至控温腔体内的空气排尽；或者将控温腔体中的气压保持在latm，向控温腔体中通入大流量的保护气体10-30min进行冲洗，使控温腔体内的空气排尽。
[0020]优选的，所述等离子体增强源为射频等离子体源。
[0021]优选的，射频等离子体功率为10-100W。
[0022]本发明的有益效果在于:本发明提供了一种三维非催化性基底负载石墨烯薄膜结构，结构的石墨烯薄膜连续均匀，并且其基片可采用不同类型的材料。并且本发明提供了一种低温环境下三维结构的非催化性基底上共形生长石墨烯薄膜的普适性方法，操作简便，制作周期短，制作成本低，可以直接在不同材料，与具有不同表面三维结构的非催化性基片上全表面共形覆盖高质量的连续均匀的石墨烯薄膜，该石墨烯为多晶的薄膜，其原子层数可以通过碳源气体与保护气体的流量比、射频等离子体功率等调整工艺条件加以控制，形成单层或多层；石墨烯的结晶性、薄膜电阻、透光性等也可通过碳源气体与保护气体的流量比、射频等离子体功率等调整工艺条件加以控制。在三维结构的非催化性基底上的石墨烯薄膜可以作为表面的透明电极在光电器件、微机电系统(MEMS)等器件上加以应用，也可用于开发新型纳米器件。
【附图说明】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0024]图1为呈光栅三维结构的非催化性基底负载石墨烯薄膜结构；
[0025]图2为呈各种形状的三维结构的非催化性基底负载石墨烯薄膜结构；
[0026]图3为“PECVD”制备石墨烯薄膜的示意图；
[0027]图4为实施例1在不同生长时间条件下制备的非催化性基底负载石墨烯薄膜结构的透光率与薄膜电阻趋势图；
[0028]图5为实施例2在不同材料与不同三维结构的非催化性基底上共形覆盖石墨烯薄膜后的Raman (拉曼)光谱。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0030]实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
[0031]实施例1
[003