一种石墨烯单晶及其制备方法与流程

本发明涉及一种单层石墨烯单晶及其制备方法。

背景技术：

石墨烯具有蜂窝状六角结构的二维碳材料，其独特的晶体结构赋予了他优异的性质，如高的迁移率、透光率和机械强度等，使石墨烯具有巨大的应用前景。最初，石墨烯的制备是采用微机械剥离高定向热解石墨的方法，获得了高迁移率的石墨烯。目前，在现有的cvd法制备的石墨烯器件的报道中，石墨烯的迁移率在1000～10000cm2v^-1s^-1,远远达不到理论值200,000cm2v^-1s^-1的迁移率的。

一般化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜为多晶薄膜，其单晶尺寸大约是几微米～几十微米。这些多晶石墨烯薄膜的高密度晶界阻碍了电子的运输，导致石墨烯的电子特性不稳定。研究表明，影响石墨烯迁移率的重要因素是石墨烯之间的晶界，多晶薄膜石墨烯的整体输运性质受到晶界处缺陷的影响。所以如何制备出大尺寸单晶石墨烯至关重要。研究中发现，低成核密度是生长石墨烯单晶的重要因素之一，低成核密度使石墨烯单晶有足够的生长空间，降低石墨烯在生长过程中的形核密度是我们探索制备出大尺寸石墨烯单晶的重点。本发明就提供了一种降低成核密度的方法，在铜基底上利用常压cvd的制备大尺寸石墨烯。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：通过改进实验方法，降低了成核密度，低成核密度使石墨烯单晶有足够的生长空间，降低石墨烯在生长过程中的形核密度是我们探索制备出大尺寸石墨烯单晶的重点。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：常压下在管式炉中，通过cvd法在基底铜箔上制备石墨烯单晶。在我们的实验中，首先，对铜箔进行了退火处理，使得铜箔表面更加平整；其次，引进了一个小石英管，从而改变了铜箔表面的压强并在铜箔表面形成气体回流，这些措施都有效的降低了成核密度，为石墨烯单晶的制备创造了条件。所述的方法制备的石墨烯单晶，其特征在于：单层，透光率高，电阻小等特点。

本发明提供了一种石墨烯单晶的制备方法，包括以下步骤：步骤s1：2%h2/ar气氛中铜片退火处理；步骤s2：管式炉的改进和实验前的准备工作；步骤s3：单晶生长过程。

进一步，所述的石墨烯单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中，在2%h2/ar气氛中退火后，铜箔表面更加平整，铜箔表面出现了铜的晶界。h2将铜箔表面的氧化物还原，增加铜表面的活性。高温退火减少铜箔表面的挥发性物质、污染物和缺陷，提高了铜箔表面的平整性。

进一步，所述的石墨烯单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，在管式炉中放入直径为1.5㎝的小石英管，再将退火处理后的铜箔放入小石英管内部，小石英管开口方向和气流方向相反；所用铜箔（厚25μm，纯度99.80%）的尺寸为1cm×1cm，分别用10%的稀盐酸、异丙醇、去离子水50℃超声15min；用锡箔纸包裹装有聚苯乙烯的称量瓶放置在炉子管道的上游的合适位置，当聚苯乙烯的温度达到330～380℃之间时剧烈挥发裂解出碳原子。

进一步，所述的石墨烯单晶的制备方法，其特征在于，步骤s3中，在单晶生长过程中：第一阶段，经过80min炉子由室温升温至800℃，800℃条件下退火120min，该过程通入400sccm的高纯氩；第二阶段，将气体换成400sccm的2%h2/ar后，经过10min使得炉子温度从800℃升温1000℃，生长210~600min，得到不同尺寸的石墨烯单晶；第三阶段，在空气中280℃氧化处理直至铜箔的表面变为红色。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1）本发明制备的石墨烯单晶具有优异的纯度，较好的透光率及导电性；

2）本发明采用cvd法来制备石墨烯，原材料廉价易得，实验过程简单；

3）本发明的制备过程安全易控，实验对环境没有污染。

附图说明

图1为本发明石墨烯单晶的金相显微镜照片；图2为本发明的石墨烯单晶的拉曼表征图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

一种石墨烯单晶，图1中为氧化处理后的铜箔表面留下的石墨烯单晶，呈明显的六边形；从图2的拉曼表征图显示出了石墨烯的2d峰和g峰。

实施例二：

本发明提供了一种石墨烯单晶的制备方法，包括以下步骤：步骤s1：2%h2/ar气氛中铜片退火处理；步骤s2：管式炉的改进和实验前的准备工作；步骤s3：单晶生长过程。

优选地，所述的石墨烯单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中，在2%h2/ar气氛中退火后，铜箔表面更加平整，铜箔表面出现了铜的晶界。h2将铜箔表面的氧化物还原，增加铜表面的活性。高温退火减少铜箔表面的挥发性物质、污染物和缺陷，提高了铜箔表面的平整性。

优选地，所述的石墨烯单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，在管式炉中放入直径为1.5㎝的小石英管，再将退火处理后的铜箔放入小石英管内部，小石英管开口方向和气流方向相反；所用铜箔（厚25μm，纯度99.80%）的尺寸为1cm×1cm，分别用10%的稀盐酸、异丙醇、去离子水50℃超声15min；用锡箔纸包裹装有聚苯乙烯的称量瓶放置在炉子管道的上游的合适位置，当聚苯乙烯的温度达到330～380℃之间时剧烈挥发裂解出碳原子。

优选地，所述的石墨烯单晶的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，在单晶生长过程中：第一阶段，经过80min炉子由室温升温至800℃，800℃条件下退火120min，该过程通入400sccm的高纯氩；第二阶段，将气体换成400sccm的2%h2/ar后，经过10min使得炉子温度从800℃升温1000℃，生长210~600min，得到不同尺寸的石墨烯单晶；第三阶段，在空气中280℃氧化处理直至铜箔的表面变为红色。

本发明采用cvd法来合成，制得的石墨烯单晶具有优异的纯度，较好的透光率及导电性，该制备方法步骤简单，对实验条件要求低。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明利用了一个成本低廉且工艺简单的方法制备出了亚毫米级的石墨烯单晶。首先，我们利用固体碳源聚苯乙烯降低了实验成本；其次，我们选用常压气相沉积法，提高了实验的安全性，让实验的可操作性更强；再次，引用一个直径为1.5cm的小石英管，改变了铜箔周围的压强，从而降低了石墨烯的形核密度。本发明所用原料易得，技术成熟，成本较低，制备周期短，操作过程简单易控，制得的石墨烯单晶为单层石墨烯，具有较高的透光率，较好的导电性。

技术研发人员：杨晓杰;高永平;王超群
受保护的技术使用者：信阳学院
技术研发日：2019.04.10
技术公布日：2019.05.28