石墨烯的生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于低维材料和新材料领域，涉及一种石墨烯的生长方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯由英国曼彻斯特大学的Geim等人于2004年发现。石墨烯具有各种优异的性质，包括最薄、最牢固、可见光透过率高、高热导率、高硬度、高电子迁移率、零有效质量、室温弹道输运、耐受电流密度比铜高6个数量级等，在下一代晶体管，透明导电膜，传感器等领域显示了巨大的应用潜力。
[0003]目前发展的常规的石墨烯制备方法有:微机械剥离、热解碳化硅(SiC)、在过渡金属及重金属上的化学气相沉积(CVD)以及化学插层氧化法。其中CVD方法是宏量制备较高质量石墨烯的最可靠的方法。目前CVD方法主要在过渡金属上制备石墨烯。石墨烯生长完成以后为了满足不同的应用需求需要将制备的石墨烯转移到相应的绝缘衬底上。石墨烯的转移过程本身是一个复杂且高成本的过程，这对于大规模量产是非常不利的；同时在转移过程中缺陷及杂质引入不可避免，这大大降低了石墨烯质量。
[0004]为提高石墨烯质量及降低生产成本，直接在绝缘衬底上生长石墨烯避免转移过程是可能的解决方案之一。
[0005]由于衬底缺乏催化性能，使用绝缘衬底生长的石墨烯生长速度慢，需要较长的生长时间，而且得到的石墨烯质量差。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的谢晓明小组于 2011 年在 Carbon 上的文章 Direct growth of few layer graphene on hexagonalboron nitride by chemical vapor deposit1n 报道了一种以 hBN 为衬底 CVD 方法制备石墨烯的方法，实现了 hBN上直接生长石墨烯，但是该方法制备的石墨烯无法完全包覆hBN基底，同时厚度的可控性不足，实现均一的单层及双层石墨烯存在困难。G.Lippert等的文章Direct graphene growth on insulator提出了一种MBE方法在云母表面生长石墨烯的方法，但是的到得石墨烯质量较差。Chen, Jianyi等的文章Oxygen-Aided Synthesis ofPolycrystalline Graphene on Silicon D1xide Substrates提出了一种使用 CVD方法在Si02/Si表面直接生长石墨烯的方法，该方法制备的石墨烯薄膜为晶筹尺寸小于I μ m的多晶薄膜，载流子迁移率仅为且生长速度较慢，生长单层石墨烯需要7?8小时。ZhangLianchang 等人在文章 Catalyst-free growth of nanographene film on var1ussubstrates中报道了一种使用PECVD方法在多种绝缘衬底上生长纳米石墨烯的方法，该方法生长时间通常为2?5小时，同时制备的石墨烯为纳米晶体，质量较差。
[0006]因此，提供一种直接在绝缘衬底表面快速生长高质量石墨烯的方法实属必要。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯的生长方法，用于解决现有技术中在绝缘衬底表面生长石墨烯生长速度慢、石墨烯质量低、单晶畴小、缺陷密度高的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种石墨烯的生长方法，至少包括以下步骤:
[0009]S1:提供一绝缘衬底，将所述绝缘衬底放置于生长腔室中；
[0010]S2:将所述绝缘衬底加热到预设温度，并在所述生长腔室中引入含有催化元素的气体；
[0011]S3:在所述生长腔室中通入碳源，在所述绝缘衬底上生长出石墨烯薄膜。
[0012]可选地，于所述步骤S2中，所述含有催化元素的气体为气态化合物或气态单质。
[0013]可选地，于所述步骤S2中，在所述生长腔室外将含有所述催化元素的固态化合物或固态单质汽化并将汽化得到的气体通入所述生长腔室，或者将含有所述催化元素的液态化合物或液态单质汽化并将汽化得到的气体通入所述生长腔室。
[0014]可选地，通过载气将汽化得到的气体通入所述生长腔室。
[0015]可选地，于所述步骤S2中，将含有所述催化元素的固态化合物或固态单质放置于所述生长腔室中，并将所述固态化合物或固态单质加热到预设温度以使所述固态化合物或固态单质蒸发从而在所述生长腔室中引入含有催化元素的气体。
[0016]可选地，于所述步骤S2中，将含有所述催化元素的液态化合物或液态单质放置于所述生长腔室中，并将所述液态化合物或液态单质加热到预设温度以使所述液态化合物或液态单质蒸发从而在所述生长腔室中弓I入含有催化元素的气体。
[0017]可选地，于所述步骤S3中，通过热化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法或脉冲激光沉积法生长出所述石墨烯薄膜。
[0018]可选地，所述催化元素包括铁、铜、镍、硅、钴、铅、锡、锗、镓或银中的至少一种。
[0019]可选地，所述化合物为氢化物、碳化物或碳氢化合物。
[0020]可选地，所述绝缘衬底为蓝宝石、碳化硅、石英、六角氮化硼、立方氮化硼、钛酸锶或玻璃。
[0021]可选地，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯、双层石墨烯或三层石墨烯。
[0022]可选地，所述石墨烯薄膜的晶畴尺寸为I?200微米。
[0023]可选地，所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔、苯、PMMA及石墨中的至少一种。
[0024]可选地，所述石墨烯薄膜的生长温度范围是800?1500°C，生长时间范围是5?60分钟。
[0025]如上所述，本发明的石墨烯的生长方法，具有以下有益效果:本发明通过引入气态催化元素催化方式，在绝缘衬底上快速生长高质量石墨烯。在绝缘衬底生长石墨烯的过程中，由于衬底缺乏催化作用，石墨烯生长速度非常缓慢，且会在石墨烯晶格中引入大量缺陷；同时，由于生长缓慢，成核密度高，最终形成的石墨烯联系膜中石墨烯晶畴非常小。通过引入气态催化元素，在生长过程中催化原子会吸附在石墨烯边缘周围，形成弱于碳碳键的化学键，吸附在石墨烯边缘的催化原子能够继续与活性的碳基团成键捕获活性基团，并通过置换作用实现活性原子与催化原子换位达到石墨烯生长的效果，该过程的总体结果是催化原子降低了活性碳基团键接到石墨烯上的势垒，从而使得在相同生长温度下石墨烯的生长速度极大的提高。同时，催化原子的存在使得活性碳基团弛豫到最佳位置的几率变大，降低了生长过程中引入的缺陷密度。这样，气态催化元素同时起到提高石墨烯生长速度，降低石墨烯缺陷密度的作用。本发明的石墨烯的生长方法能够在绝缘衬底上生长出高质量的石墨烯薄膜，避免了石墨烯的转移过程；本发明的石墨烯的生长方法还具有较高的石墨烯生长速度，不仅可以提高石墨烯的生产产量，而且大大降低了石墨烯的生长成本，有利于批量生产；本发明生长的石墨烯可应用于新型石墨烯电子器件、石墨烯透明导电膜、透明导电涂层等领域。
【附图说明】
[0026]图1显示为本发明的石墨烯的生长方法的工艺流程图。
[0027]图2显示为本发明的石墨烯的生长方法于实施例一中生长出的石墨烯薄膜的原子力显微镜照片。
[0028]图3显示为本发明的石墨烯的生长方法于实施例一中生长出的石墨烯薄膜的拉島L
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[0029]图4显示为本发明的石墨烯的生长方法于实施例二中生长出的石墨烯薄膜的原子力显微镜照片。
[0030]图5显示为本发明的石墨烯的生长方法于实施例二中生长出的石墨烯薄膜的拉島L
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[0031]元件标号说明
[0032]SI ?S3 步骤
【具体实施方式】
[0033]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0034]请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实