一種連續制備大單晶石墨烯的方法技術

本發明專利技術提供了一種連續制備大單晶石墨烯的方法，涉及大單晶石墨烯的制備方法。其主要特征為用銅箔作為催化劑及生長基底，利用兩個常壓化學氣相沉積設備將銅箔退火和石墨烯生長分開進行，通過兩端的轉動裝置，連續獲得大尺寸高質量的石墨烯。本發明專利技術提出的方法，解決了CVD方法制備的石墨烯單晶尺寸小、價格昂貴、基底表面處理工序復雜且生長周期長等技術問題，通過非常簡單的方法，實現了連續制備大單晶石墨烯樣品。

【技術實現步驟摘要】
一種連續制備大單晶石墨烯的方法
本專利技術涉及一種連續制備大單晶石墨烯的方法。
技術介紹
自從2004年Geim等利用機械剝離方法獲得石墨烯并揭示其獨特的物理性質以來，對石墨烯的研究一直是凝聚態物理及材料領域的熱點。這種由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀結構賦予石墨烯優異的光學、電學、力學以及熱學性能。特別是其很好的導電性以及超高的載流子遷移率，使得石墨烯在電子器件領域內被公認為的最有可能的替代硅的材料之一。2009年Ruoff等人首次發現，利用化學氣相沉積法(CVD)，以銅箔作為基底及催化劑，可以有效地獲得高質量的單層石墨烯。這種方法被認為是目前最有可能實現石墨烯產業化生產的途徑之一。然而CVD制備的石墨烯存在一個很大的問題，即合成的石墨烯多為多晶結構，而晶界的存在會很大程度地降低石墨烯的遷移率及導電性能，阻礙其在電子器件領域的應用。因此降低晶界密度或者生長大尺寸單晶石墨烯成為石墨烯CVD生長研究的一個熱點問題。當前CVD法生長石墨烯所用的銅箔通常為多晶銅箔，銅箔不同的晶體取向、缺陷、粗糙度以及晶界均會對石墨烯的質量有很大的影響。晶界及缺陷處往往會成為優先形核點，在多數取向的銅晶面上，石墨烯疇區的取向為隨機分布，因此多晶銅箔的晶界及缺陷密度、晶粒大小會在一定程度上決定石墨烯疇區的大小。值得注意的是在Cu(111)面上，由于其晶格常數與石墨烯的晶格對稱性匹配，在合適的生長條件下，石墨烯疇區取向一致，因此疇區融合時將不會產生晶界。即利用單晶Cu(111)可實現大單晶石墨烯的生長。然而，使用單晶銅箔會極大地提高成本，不利于石墨烯的產業化進程。有文獻報道，通過對多晶銅做合適的熱處理，可以將其轉化為大疇區Cu(111)。因此，將多晶銅箔熱處理與CVD方法生長石墨烯合理結合，實現連續制備大尺寸單晶石墨烯，對于石墨烯的實際應用及產業化具有重要意義。
技術實現思路
本專利技術提出一種利用轉動裝置和銅箔單晶化，實現在多晶銅箔上連續生長大單晶石墨烯的方法、裝置及由此制備的大單晶石墨烯。一種連續制備大單晶石墨烯的方法，在制備石墨烯的裝置中設置轉動裝置，使表面生長了石墨烯的基底連續卷繞到所述轉動裝置上，從而實現石墨烯的連續生長。優選的是，所述基底為銅箔；優選的是，所述銅箔為摻雜了金屬元素的多晶銅箔；更優選的是，所述銅箔不進行任何表面處理。優選的是，所述制備石墨烯的裝置包括設置于退火區的第一化學氣相沉積設備和設置于生長區的第二化學氣相沉積設備，其中第一化學氣相沉積設備用于對所述基底進行退火，第二化學氣相沉積設備用于在退火后的基底表面生長石墨烯。優選的是，所述制備石墨烯的裝置包括退火區和生長區，所述轉動裝置包括設置于生長區的1個以上的第二轉輪；優選的是，所述第二轉輪的個數為1－10個。優選的是，所述制備石墨烯的裝置還包括設置于退火區的第一轉輪；優選的是，所述第一轉輪的個數為1－10個。優選的是，所述方法包括如下步驟：將未退火的基底的其中一個末端固定在退火區的第一轉輪上，將未退火的基底纏繞在退火區的第一轉輪上，然后將未退火的基底的另一個末端固定在生長區的第二轉輪上。優選的是，所述方法包括如下步驟：(一)、將作為基底的銅箔事先卷繞于第一化學氣相沉積設備中的第一轉輪上，并將銅箔的另一個末端固定在第二化學氣相沉積設備中的第二轉輪上，通入惰性氣體，然后開始升溫；(二)、溫度升至700～1100℃時，控制驅動裝置緩慢轉動第二轉輪或同時轉動第一轉輪和第二轉輪，使銅箔連續在第一化學氣相沉積設備中緩慢通過，進行銅箔退火；(三)同時在第二化學氣相沉積設備里通入CH4和H2氣體，CH4流量為0.5～50sccm，H2流量為0.2～50sccm，開始生長過程；(四)、生長結束后，冷卻至室溫，即得到大單晶石墨烯；優選的是，所述方法包括如下步驟：(一)、將未進行任何表面處理的銅箔置于第一和第二化學氣相沉積設備中，通入Ar，流量為300sccm以上，然后開始升溫，升溫過程持續50～70min；(二)、溫度升至700～1100℃時，控制驅動裝置緩慢轉動第二轉輪或同時轉動第一轉輪和第二轉輪，使銅箔連續在第一化學氣相沉積設備中緩慢通過，銅箔移動速度為0.4-40cm/min，進行銅箔退火；(三)、同時在第二化學氣相沉積設備里通入CH4和H2氣體，CH4流量為0.5～50sccm，H2流量為0.2～50sccm，開始生長過程；(四)、生長結束后，冷卻至室溫，即得到大單晶石墨烯。優選的是，步驟一、二、三和四中升溫、退火及生長過程均在常壓條件下進行。一種大單晶石墨烯，所述大單晶石墨烯是由上述方法所制備，所述大單晶石墨烯的尺寸為厘米量級(0.1cm-10cm)，石墨烯薄膜的長度為5m以下，寬度為0.5m以下。一種連續制備大單晶石墨烯的裝置，在所述裝置中設置轉動裝置，使表面生長了石墨烯的基底連續卷繞到所述轉動裝置上，從而實現石墨烯的連續生長。優選的是，所述制備大單晶石墨烯的裝置包括設置于退火區的第一化學氣相沉積設備和設置于生長區的第二化學氣相沉積設備，其中第一化學氣相沉積設備用于對所述基底進行退火，第二化學氣相沉積設備用于在退火后的基底表面生長石墨烯。優選的是，所述制備大單晶石墨烯的裝置包括退火區和生長區，所述轉動裝置包括設置于生長區的1個以上的第二轉輪；優選的是，所述第二轉輪的個數為1－10個。優選的是，所述制備大單晶石墨烯的裝置還包括設置于退火區的第一轉輪；優選的是，所述第一轉輪的個數為1－10個。本專利技術用銅箔作為催化劑及生長基底，用常壓化學氣相沉積法，連續獲得大尺寸高質量的石墨烯。本專利技術提出的方法，解決了CVD方法制備的石墨烯晶疇尺寸小，電學性質大大降低等技術問題，通過非常簡單的方法，實現了連續制備出高質量的大單晶石墨烯。本專利技術的優點在于：1.本專利技術選用銅箔作為生長襯底，不需要對基底進行復雜的表面預處理，大大簡化生長工序，縮短生長周期，極大地降低制備成本；2.本專利技術只需將銅箔在化學氣相沉積系統里退火，即可制備出大尺寸單晶Cu(111)，不需要其它任何特殊的處理；3.本專利技術提出了一種可連續制備石墨烯的設計方法。4.本專利技術提供了一種連續制備大單晶石墨烯的方法，制備出的石墨烯，缺陷少，質量高，在微納米電子器件領域具有良好的應用前景；5.本專利技術方法簡單、有效，制備周期短，有助于石墨烯的實際應用及工業化生產。附圖說明圖1為本專利技術利用化學氣相沉積法連續制備大單晶石墨烯的裝置示意圖。圖2為實施方式一中試驗一制備的大單晶Cu(111)的LEED結果。圖3為實施方式一中試驗一制備的石墨烯晶疇樣品的光學圖。圖4為實施方式一中試驗一制備的單晶石墨烯的拉曼光譜圖，表明所制備樣品為高質量單層石墨烯。圖5為實施方式一中試驗一制備的一個四英寸石墨烯薄膜樣品的光學圖。圖6為實施方式二制備的銅箔襯底的電子背散射(EBSD)結果。圖7為實施方式二制備的多晶銅箔上石墨烯晶疇樣品的光學圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術做進一步詳細說明，所述方法如無特別說明均為常規方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業途徑而得，如銅箔是從AlfaAesar購買，厚度為25μm或127μm，將銅箔直接放入CVD系統中進行生長。圖1為本專利技術利用化學氣相沉積法連續制備大單晶石墨烯的裝置示意圖，所述裝置包括退火區和本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種連續制備大單晶石墨烯的方法，其特征在于，在制備石墨烯的裝置中設置轉動裝置，使表面生長了石墨烯的基底連續卷繞到所述轉動裝置上，從而實現石墨烯的連續生長。

【技術特征摘要】
1.一種連續制備大單晶石墨烯的方法，其特征在于，在制備石墨烯的裝置中設置轉動裝置，使表面生長了石墨烯的基底連續卷繞到所述轉動裝置上，從而實現石墨烯的連續生長；所述制備石墨烯的裝置包括設置于退火區的第一化學氣相沉積設備和設置于生長區的第二化學氣相沉積設備，其中第一化學氣相沉積設備用于對所述基底進行退火，第二化學氣相沉積設備用于在退火后的基底表面生長石墨烯；所述轉動裝置包括設置于生長區的1個以上的第二轉輪，所述制備石墨烯的裝置還包括設置于退火區的第一轉輪；所述方法包括如下步驟：(一)、將作為基底的銅箔事先卷繞于第一化學氣相沉積設備中的第一轉輪上，并將銅箔的另一個末端固定在第二化學氣相沉積設備中的第二轉輪上，通入惰性氣體，然后開始升溫；(二)、溫度升至700～1100℃時，控制驅動裝置緩慢轉動第二轉輪或同時轉動第一轉輪和第二轉輪，使銅箔連續在第一化學氣相沉積設備中緩慢通過，進行銅箔退火；(三)同時在第二化學氣相沉積設備里通入CH4和H2氣體，CH4流量為0.5～50sccm，H2流量為0.2～50sccm，開始生長過程；(四)、生長結束后，冷卻至室溫，即得到大單晶石墨烯。2.根...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐小志，張智宏，俞大鵬，王恩哥，劉開輝，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：北京;11