一種大單晶雙層石墨烯及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種大單晶雙層石墨烯的制備方法。該制備方法包括如下步驟：利用單層石墨烯作為種子層，采用化學氣相沉積法在絕緣襯底上生長石墨烯，即在所述絕緣襯底上得到雙層石墨烯。本發(fā)明專利技術(shù)使用單層石墨烯作為雙層石墨烯生長的種子層，通過化學氣相沉積控制雙層石墨烯大面積的生長，實現(xiàn)雙層石墨烯的堆疊結(jié)構(gòu)控制。利用納米銅粉等催化劑在高溫下蒸出銅微粒，通過載氣將銅蒸汽送到反應襯底處，催化裂解碳源，獲得的碳原子或原子團通過氣流飄到滿單層石墨烯的襯底上，在單層石墨烯上外延生長雙層石墨烯，提高生長效率，實現(xiàn)“自下而上”堆疊的制備方式。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種大單晶雙層石墨烯及其制備方法。
技術(shù)介紹
石墨烯具有獨特的帶隙結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。其中單層石墨烯為零帶隙結(jié)構(gòu)，在半導體器件應用上具有一定的限制性，但層數(shù)增多后，石墨烯的帶隙便被打開。例如，雙層石墨烯在外加電場的作用下，可以在高達250meV的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)帶隙。機械剝離法常用于獲取雙層石墨烯，但是面積只有幾個微米。近幾年，化學氣相沉積法廣泛應用于制備雙層石墨烯，但到目前為止，雙層石墨烯覆蓋率不高且均一性不好，同時不能很高的控制層與層之間的堆疊方式。而在絕緣襯底上的多層石墨烯目前的方法還局限在轉(zhuǎn)移的方法，對雙層石墨烯的質(zhì)量有很大的影響。金屬襯底對石墨烯的生長具有很大的影響，例如鎳、鐵等溶碳量相對較高的襯底，其生長機制為析出-沉淀機制，故不能很好的控制層數(shù)和均一性。另外，在絕緣襯底上，由于缺乏催化基底，石墨烯的制備更加困難。進一步在絕緣襯底上實現(xiàn)雙層制備更是難上加難。然而，在新一代光電器件和微處理器應用中，對于大面積高質(zhì)量雙層石墨烯的需求愈發(fā)強烈。因此，如果能很好的控制層數(shù)以及層與層之間的堆疊方式，獲得大面積層數(shù)精確可控的石墨烯，對于基礎科研和石墨烯進一步器件和產(chǎn)業(yè)應用都具有十分重要的意義。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種大單晶雙層石墨烯及其制備方法，本專利技術(shù)提供的為一種利用化學氣相沉積法制備大面積高質(zhì)量、并且層厚精確可控的雙層石墨烯的新方法，解決了現(xiàn)有絕緣襯底上雙層石墨烯面積小、質(zhì)量差、覆蓋率不高、均一性不好等技術(shù)問題。本專利技術(shù)所提供的大單晶雙層石墨烯的制備方法，包括如下步驟：利用單層石墨烯作為種子層，采用化學氣相沉積法在覆蓋所述單層石墨烯的絕緣襯底上生長石墨烯，即在所述絕緣襯底上得到雙層石墨烯。上述的制備方法中，所述絕緣襯底可為鍍有二氧化硅的硅襯底或藍寶石襯底。上述的制備方法中，所述化學氣相沉積法包括如下步驟：將所述絕緣襯底和盛放有催化劑的石英管放置于反應腔中，且所述絕緣襯底與所述石英管之間設有間距；向所述反應腔中通入碳源和載氣，加熱所述反應腔，即在所述單層石墨烯上生長石墨烯得到所述雙層石墨烯；在高溫的作用下，所述催化劑會形成蒸汽，該蒸汽催化裂解所述碳源得到碳原子或原子團，作為生長所述石墨烯的碳源，該碳源在所述載氣的氣流作用下飄到覆蓋滿所述單層石墨烯的絕緣襯底上，即在所述單層石墨烯處以“自下而上”堆疊的方式得到雙層石墨烯；所述石英管靠近所述反應腔的進氣口端，且所述石英管的開口朝向所述反應腔的進氣口。上述的制備方法中，所述間距為5～10cm，優(yōu)選為5cm或8cm，以達到最好的催化效果又不會在所述絕緣襯底上形成納米顆粒。上述的制備方法中，所述催化劑可為納米銅粉、納米鐵粉、納米鈷粉或納米鎳粉，所述催化劑的粒徑可為0～100nm，但不為0，優(yōu)選為10～50nm，在加熱的條件下，所述納米銅粉會形成銅蒸汽。上述的制備方法中，加熱所述反應腔的溫度至800～1040℃，具體可為800℃或1000℃；所述生長的時間可為0.5～2小時，具體可為1小時或2小時；所述生長結(jié)束后，在6～30分鐘內(nèi)快速降溫至室溫，如在10分鐘之內(nèi)降溫完成。上述的制備方法中，所述碳源可為碳源氣、液態(tài)碳源或固態(tài)碳源，所述碳源氣可為甲烷、乙烯、乙炔等碳氫化合物氣體，所述液態(tài)碳源可為乙醇、苯等含碳化合物，所述固態(tài)碳源可為聚苯乙烯、萘、五氯吡啶、四溴噻吩等含碳化合物；所述載氣為氫氣；通入所述碳源氣的速率可為1～20sccm，具體可為10sccm或20ccm；通入所述載氣的速率可為5～500sccm，具體可為20ccm或100ccm。上述的制備方法中，通入所述碳源氣和所述載氣之前，所述方法還包括將所述絕緣襯底在800～1040℃下退火處理1～3小時的步驟，以去除所述絕緣襯底(單層石墨烯)表面的雜質(zhì)，有利于后續(xù)石墨烯的外延生長；所述退火處理之前，對所述反應腔進行抽真空，并通入氫氣。上述的制備方法中，在銅襯底上生長制備所述單層石墨烯；采用濕法轉(zhuǎn)移法將所述單層石墨烯轉(zhuǎn)移至所述絕緣襯底上。上述方法制備得到的大單晶雙層石墨烯也屬于本專利技術(shù)的保護范圍。本專利技術(shù)具有如下有益效果：本專利技術(shù)使用單層石墨烯作為雙層石墨烯生長的種子層，通過化學氣相沉積控制雙層石墨烯大面積的生長，實現(xiàn)雙層石墨烯的堆疊結(jié)構(gòu)控制。利用納米銅粉等催化劑在高溫下蒸出銅微粒，通過載氣將銅蒸汽送到反應襯底處，催化裂解碳源，獲得的碳原子或原子團通過氣流飄到滿單層石墨烯的襯底上，在單層石墨烯上外延生長雙層石墨烯，提高生長效率，實現(xiàn)“自下而上”堆疊的制備方式。附圖說明圖1為本專利技術(shù)雙層石墨烯的制備方法的生長示意圖。圖中各標記如下：(1)絕緣襯底、(2)單層石墨烯、(3)納米銅粉、(4)銅蒸汽、(5)載氣(氫氣)、(6)碳源(甲烷)、(7)碳原子或原子團、(8)雙層石墨烯。圖2為本專利技術(shù)實施例1在襯底鍍有300nm二氧化硅的硅襯底上生長的雙層石墨烯的光學圖。圖3為本專利技術(shù)實施例1在襯底鍍有300nm二氧化硅的硅襯底上生長的雙層石墨烯的掃描電鏡圖。圖4為本專利技術(shù)實施例1在襯底鍍有300nm二氧化硅的硅襯底上生長的雙層石墨烯的拉曼光譜圖。圖5為本專利技術(shù)實施例1在襯底鍍有300nm二氧化硅的硅襯底上生長的雙層石墨烯的透射電鏡圖及其選區(qū)電子衍射圖，其中，圖5(a)為轉(zhuǎn)移到銅網(wǎng)上的雙層石墨烯樣品的SEM圖，圖5(b)為圖5(a)中黑方框標記的一個網(wǎng)格的放大圖，圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)和圖5(g)分別是圖5(a)中標記的藍點和紅點區(qū)域的選區(qū)電子衍射花樣圖，圖5(h)、圖5(i)、圖5(j)和圖5(k)分別是圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)和圖5(g)中劃線處對應的衍射點的峰強值。圖6為本專利技術(shù)實施例2在藍寶石襯底上生長的雙層石墨烯的掃描電鏡圖。圖7為本專利技術(shù)實施例2在藍寶石襯底上生長的雙層石墨烯的拉曼光譜圖。具體實施方式下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。如圖1所示，為本專利技術(shù)制備雙層石墨烯的生長示意圖，將覆蓋有當層石墨烯的絕緣襯底(1)和盛放有納米銅粉(3)的石英管放置于CVD系統(tǒng)的反應腔的加熱區(qū)，且將絕緣襯底(1)和石英管之間設置有間距，石英管靠近反應腔的進氣口端，且石英管的開口朝向反應腔的進氣口。向反應腔中通入碳源(6)和載氣(5)，加熱反應腔，在高溫的作用下，納米銅粉(3)形成銅蒸汽(4)，銅蒸汽(4)催化裂解碳源(6)得到碳原子或原子團(7)，作為生長石墨烯的碳源，該碳源在載氣(5)的氣流作用下飄到覆蓋滿單層石墨烯(2)的絕緣襯底(1)上，即在單層石墨烯(2)處以“自下而上”堆疊的方式生長得到雙層石墨烯(8)。實施例1、在鍍有300nm二氧化硅的硅襯底上生長的雙層石墨烯按照如下步驟在鍍有300nm二氧化硅的硅襯底上生長雙層石墨烯：(1)制備單層石墨烯并轉(zhuǎn)移利用化學氣相沉積設備，基于銅襯底上優(yōu)化生長條件，先獲取高質(zhì)量的單層石墨烯，利用濕法轉(zhuǎn)移，先將生長有單層的石墨烯銅片旋涂PMMA膠，將膠烘烤30min，利用過硫酸銨除去銅片，用硅襯底撈起薄膜，自然風干過夜，再用丙酮去除樣品表面的PMMA膠，即獲得轉(zhuǎn)移在硅襯底上的單層石墨烯薄膜。(2)利用CVD系統(tǒng)制備雙層石墨烯如圖1所示，將納米銅粉裝在小石英管里，小石英管置于氣源的上游，開本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種大單晶雙層石墨烯的制備方法，包括如下步驟：利用單層石墨烯作為種子層，采用化學氣相沉積法在覆蓋所述單層石墨烯的絕緣襯底上生長石墨烯，即在所述絕緣襯底上得到雙層石墨烯。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種大單晶雙層石墨烯的制備方法，包括如下步驟：利用單層石墨烯作為種子層，采用化學氣相沉積法在覆蓋所述單層石墨烯的絕緣襯底上生長石墨烯，即在所述絕緣襯底上得到雙層石墨烯。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述絕緣襯底為鍍有二氧化硅的硅襯底或藍寶石襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于：所述化學氣相沉積法包括如下步驟：將所述絕緣襯底和盛放有催化劑的石英管放置于反應腔中，且所述絕緣襯底與所述石英管之間設有間距；向所述反應腔中通入碳源和載氣，加熱所述反應腔，即在所述單層石墨烯上生長石墨烯得到所述雙層石墨烯；所述石英管靠近所述反應腔的進氣口端，且所述石英管的開口朝向所述反應腔的進氣口。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于：所述間距為5～10cm。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于：所述催化劑為納米銅粉、納米鐵粉...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳珊珊，王偉偉，陳香萍，
申請(專利權(quán))人：中國人民大學，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11