具有超高载流子迁移率的石墨烯及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石墨烯膜及其制备方法和用途。
【背景技术】
[0002] 近几年，石墨稀（graphene)因其杰出性能而受到相当多的关注。石墨稀具有特别 令人感兴趣的出色的物理性质，例如极好的导电性、高的透光性和极高的导热性。更具体 地，石墨烯的特点是超高的载流子迀移率和透光性，这解释了为什么在有机电子器件中，比 如太阳能电池、有机发光电极、液晶显示器、触摸屏或晶体管，尤其具有500至1000GHz循 环时间的晶体管，石墨烯被认为是一种有前途的导体材料。除此之外，石墨烯因其高热导 率，也可作为要求高导热性的材料的导热添加剂，这是颇具吸引力的。此外，石墨烯具有与 金刚石同一量级的极佳抗拉强度和弹性模量。
[0003] 石墨烯是一种单层碳，其中，像在石墨中那样，单个碳原子按六边形排列并被sp2 杂化，其中每个碳原子被另外三个碳原子包围并共价连接。换句话说，石墨烯是一种具有蜂 窝状六边形图案的稠合六元环的碳单层。因此，严格来说，石墨烯是个单一的石墨层，其特 点是几乎无限的长径比。但是，实际上，若干层石墨，如双层石墨，也表示为石墨烯。
[0004] 本专利申请中使用的术语石墨烯也包括改性石墨烯，即石墨烯包含少量原子和/ 或不同于碳原子的分子。特别地，改性石墨烯掺杂了不同于碳原子的其它原子，例如氮和/ 或硼原子。
[0005] 目前已有许多制备石墨烯的方法。
[0006] 制备石墨稀的首选方法之一是，利用例如肼（hydrazine)还原氧化石墨稀。可以 通过先采用强酸如硫酸氧化石墨，然后插层并在水中剥离来获得氧化石墨烯原料。利用这 种方法，可以得到尺寸为20X40微米（Mm)的单层石墨烯。然而，这种方法的一个缺点是， 由于插层和剥离，所得到的石墨烯晶格存在一些缺陷，例如空位，尤其是sp3杂交碳原子。因 此，这样制备的石墨烯的导电性和载流子迀移率相当低。
[0007] 另一种公知的石墨稀制备方法是剥离石墨（graphite)。在该方法中，使用胶带 将石墨晶体反复撕揭得越来越薄，在粘附着光学透明薄片的胶带溶解于如丙酮之前，将 含有单层石墨烯的薄片沉淀于硅片上。一种替代方案是在有机溶剂中，如二甲基甲酰胺 (dimethylformamide)，通过超声波降解驱动来剥离出石墨薄片。另一种替代方案中，通过 将碱金属离子例如钾离子嵌入石墨，然后在有机溶剂如四氢咲喃（tetrahydrofuran)中进 行剥离，来实现将石墨层剥离为石墨烯。然而，这些基于剥离的方法不产生单层石墨烯，而 是得到包含了单层片段、双层片段等等的石墨烯，即具有高度分散性的石墨烯。除此之外， 基于剥离的方法制得的石墨烯，其薄片尺寸相对非常有限。
[0008] 制备石墨烯膜的另一方法是，通过化学气相沉积（CVD)在金属衬底上外延生长石 墨烯。贵金属，如铂、钌、铱等，或其它金属，如镍、钴、铜等，可被用作金属衬底。不过，通常 使用市售铜膜作为金属衬底。这些方法可以得到相当大表面积的高品质石墨烯。然而，由 此得到的石墨烯的载流子迀移率通常小于基于剥离方法得到的石墨烯的载流子迀移率，这 可能是因为所得到的石墨稀包含许多小尺寸的石墨稀域（graphenedomains)，自然许多域 边界介于各个域之间。也有可能是因为通过标准铜箱合成而引入的化学杂质。
[0009] 对于在金属衬底上通过CVD外延生长得到的石墨稀，为了提高石墨稀域的大小， 以及减少域边界的数量，并由此提高电学和热学性能，尤其是石墨烯的载流子迀移率，已有 人提出不使用市场上可买到的多晶铜膜作为金属衬底，而是在已通过在单晶衬底如单晶蓝 宝石上外延沉积铜制备得到的铜上，通过CVD来沉积石墨烯。各种方法已经被揭露，例如 Ago等人于期刊《物理化学学报》2012年第3卷第2228-2236页公开的"石墨烯的催化生 长：面向大面积的单晶石墨烯"，以及Hu等人于期刊《碳》2012年第50卷第57-65页公开的 "通过常压CVD在Cu(111) /蓝宝石上外延生长大面积的单层石墨烯"。
[0010] 更具体地，US2012/0196074A1公开了一种方法，其中首先将钴或镍金属溅射到一 厚度为30至55纳米（nm)的C-平面蓝宝石，再通过CVD在所得到的钴/-或镍/C-平面蓝 宝石上沉积石墨烯。CVD是在例如包含5〇SCCm流速的甲烷气体和150〇SCCm流速的氢气的 气氛中，于900°C下反应20分钟而实现。
[0011] 此外，EP2540862A1公开了一种碳膜叠层体（carbonfilmlaminate)，其包括单晶 衬底、在该衬底上外延生长铜而形成的铜（ill)单晶薄膜、以及形成于铜（ill)单晶薄膜上 的石墨烯。优选地，通过直流磁控溅射方法在单晶衬底上沉积铜（111)单晶薄膜，而铜衬底 上沉积石墨烯则是通过例如在包含35SCCm流速的甲烷气体和2SCCm流速的氢气的气氛中， 于1000°C下，反应20分钟的CVD来实现。用这种方法获得的石墨烯据说也具有高达100_2 的相对较大的晶粒尺寸。由于使用铜（111)单晶薄膜作为沉积石墨烯的衬底，所以利用这 种方法获得的石墨烯明显具有大的晶粒尺寸。虽然EP2540862A1没有主张高的载流子迀移 率，其它出版物例如《碳》2012年第50卷第2189-2196页的"单层石墨烯中铜金属在域结 构和载流子迀移率中的影响"已经报道了使用这种方法得到的载流子迀移率相当低，即小 于 2500cm2/V1 ·s^
[0012] 总之，采用基于化学剥离的方法和基于还原氧化石墨烯的方法得到的是相对低品 质的石墨烯，而基于在金属衬底上通过CVD外延生长石墨烯的方法虽然可以得到相对高品 质的石墨烯，但是，相比剥离得到的最好的石墨烯而言，具有相对低的导电性和低的载流子 迀移率。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于，提供一种尚品质的石墨稀I旲，其具有大的石墨稀域尺寸、出色 的透光性、更好的载流子迀移率以及高的热导率、优良的抗拉强度和高的弹性模量。
[0014] 根据本发明，这一目的是通过提供石墨烯膜而得以满足，该石墨烯膜是通过包括 如下步骤的方法而得到： a) 提供衬底； b) 在衬底的表面上外延生长金属层； c) 可选地，通过在外延生长的金属层上生长金属来增加步骤b)中得到的金属层的厚 度； d) 从衬底剥离步骤b)或者可选地步骤c)中得到的金属层； e) 在由步骤d)获得的金属层的至少一部分表面上沉积石墨烯，该至少一部分表面在 步骤d)进行剥离之前曾与衬底接触。
[0015] 这个方案是基于如下的发现，即通过将外延生长的金属层从衬底剥离，衬底优选 为单晶衬底，再于已剥离的衬底的表面上沉积石墨烯，该表面在剥离之前曾与衬底接触，所 获得的石墨烯膜具有非常高的载流子迀移率，并包括非常大的石墨烯域，其具有优异的晶 格质量和出色的透光性。更具体地，当于二氧化硅（Si02)衬底上测量时，根据本发明的石 墨烯具有大于11000平方厘米八伏?秒）（cm2/V·sec)的载流子迀移率，即优选为至少 15000cm2/V·sec，更优选为至少 20000cm2/V·sec，甚至更优选为至少 25000cm2/V·sec， 或甚至更优选为至少30000cm2/V·sec。此外，根据本发明的石墨稀的特征是具有大的石 墨烯域，其平均粒径d5。大于0. 2μπι，优选为至少?μπι，更优选为至少5μπι，甚至更优选为至 少lOMffl，甚至更优选为至少5〇μπι，甚至更优选为至少100μπι。而且，根据本发明得到的石墨 烯的光学透明性为至少93%，优选为至少95%，更优选为至少97. 7%。为了避免受限于任何 特定的理论，可以想到，根据本发明的石墨烯的这些令人惊讶的更好的性能是，除其他事项 外，因为这样的事实，即直接生长于衬底的表面上的金属层的表面，即已剥离的金属层的表 面，其在剥离步骤之前曾与衬底接触，该表面比与该面相对的表面更平且更光滑，特别是比 步骤c)中生长于其上的金属层的表面更平且更光滑。因此，在CVD步骤期间，石墨烯沉积 在这个光滑且平坦的表面上，形成具有大的石墨烯域尺寸的高品质的晶格。此外，直接在衬 底表面上生长的金属层表面，即已剥离的金属层表面，在步骤b)和c)期间，被认为可以不 受氧化，从而没有或只有很少的金属氧化物形成于其上，而金属氧化物会损害产生于其上 的石墨烯的质量。与此相反，在现有的方法中，石墨烯膜分别沉积在金属层的相对侧上，或 者沉积在生长于其上的金属层的表面上，在处理期间金属层易受氧化，并可能不会很平坦。 总而言之，根据本发明的石墨烯是一种高质量的石墨烯膜，其具有大的石墨烯域尺寸、出色 的透光性和改善的载流子迀移率。
[0016] 就本发明的意义而言，术语石墨烯概指具有至多20层的结构，每层具有蜂窝状六 边形图案的稠合六元环的sp2杂交碳原子。优选地，石墨烯表示一具有至多10层结构，更 优选为至多5层，甚至更优选为至多4层、至多3层、至多2层，最优选为单层，该单层具有 蜂窝状六边形图案的稠合六元环的sp2杂交碳原子。按照这一定义，就本发明的意义而言， 术语石墨烯膜不仅可以表示为单层，也可以表示为双层石墨烯、三层等等多达20层，其中 最优选为单层石墨烯。正如上文所述，根据本专利申请，术语石墨烯还表示改性石墨烯，即 石墨烯中含有少量原子和/或不同于碳原子的分子。特别地，改性石墨烯掺杂了不同于碳 原子的其它原子，例如氮和/或硼原子。
[0017] 如上所述，根据本发明的石墨烯的优良性能突出于其它，是由于已剥离的金属层 表面平且光滑，该表面在剥离步骤之前与衬底接触，其中该表面平且光滑是由于金属层直 接生长于光滑且平坦的衬底表面上。优选地，衬底表面的RMS(均方根)平面度为至多5nm， 优选为至多2nm，更优先为至多lnm，甚至更优选为至多0· 6nm，甚至更优选为至多0· 5nm，且 还更优选为至多0.4纳米。根据本发明，RMS平面度是基于DINENISO4287:2010-07"术 语、定义及表面结构参数"来测量。
[0018] 当衬底为单晶衬底时，可以获得特别好的结果。为了得到金属层的格外好的表面 质量，步骤a)中提供的单晶衬底的原子间距（晶格常数)优选为接近于方法步骤b)和c)中 生长于衬底上的金属。由于方法步骤b)和c)