在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法

摘要

本发明公开了一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：制备复合衬底：复合衬底包括位于外部的铜管，以及设置在铜管内部的绝缘衬底，绝缘衬底位于铜管的范围内，所述铜管由铜箔卷曲成管状而制成；将复合衬底放入反应器中，并向反应器中通入氩气和氢气的混合气体；对复合衬底进行加热，以使复合衬底中的铜管和绝缘衬底均达到目标温度，然后保持温度恒定30‑120分钟；继续保持温度恒定，将气体碳源通入反应器中，即可在铜催化剂的作用下，在绝缘衬底的表面得到大面积双层石墨烯薄膜。本发明利用常压化学气相沉积法在铜箔的催化作用下实现大面积双层石墨烯薄膜在绝缘衬底上的制备，本方法操作方便，简单易行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，属于石墨烯技术领域。

背景技术

目前，石墨烯作为一种单原子厚度的二维薄膜材料，由于其独特的狄拉克锥能带结构，展现出优异的电学、光学、力学等性能，从而在各个科学领域引起研究热潮。从最初的微机械剥离高定向热解石墨方法制备微米级石墨烯薄膜，到目前广泛采用的化学气相法在过渡金属衬底Ni或者Cu表面制备30英寸的大面积石墨烯薄膜，以及利用氧化还原法或者液相剥离法已经可以大批量制备单层、双层或者多层石墨烯。

大面积石墨烯薄膜的制备技术已经日趋成熟，但是石墨烯的应用必须转移到绝缘衬底上，转移过程中产生的杂质极大地降低了它的物理特性，限制了它在光电器件上的应用。为了能够实现石墨烯薄膜在绝缘衬底上的生长，人们采用了各种办法，例如：利用磁控溅射法在绝缘衬底上沉积一定厚度的Ni或者Cu薄膜，进行高温化学气相沉积法在Ni或者Cu薄膜表面形成石墨烯，同时在金属薄膜与绝缘层的交界面处也形成了石墨烯薄膜等。这些方法虽然能够制备大面积石墨烯薄膜，但是却严重破坏了石墨烯的晶格结构，失去了石墨烯优异的电学性质，特别是石墨烯的载流子迁移率不可避免地严重衰减，因此，需要寻找一种新的方法在绝缘体衬底上制备石墨烯薄膜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，本方法能够在温和的条件下，在绝缘衬底生成大面积石墨烯薄膜，操作方便，简单易行。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：

a)制备复合衬底：复合衬底包括位于外部的铜管，以及设置在铜管内部的绝缘衬底，绝缘衬底位于铜管的范围内，所述铜管由铜箔卷曲成管状而制成，所述铜管起到催化剂的作用；

b)将复合衬底放入反应器中，并向反应器中通入氩气和氢气的混合气体，使混合气体充满反应器；

c)对复合衬底进行加热，以使复合衬底中的铜管和绝缘衬底均达到目标温度，然后保持温度恒定30-120分钟，所述目标温度的温度范围为：1000℃～1050℃；

d)继续保持温度恒定，将气体碳源通入反应器中，即可在铜催化剂的作用下，在绝缘衬底的表面得到大面积双层石墨烯薄膜。

进一步，步骤d)中所述的气体碳源为甲烷气体和/或乙炔气体。

进一步，在步骤d)中，对于气体碳源，气体碳源与氢气、氩气体同时通入反应器中。

进一步，所述复合衬底中的铜管由铜箔卷曲成管状而制成，所述铜箔以直径为1.5～5mm的石英管为模具，沿着石英管的内壁延伸卷曲成管状。

进一步，所述复合衬底中的铜管由铜箔卷曲成管状而制成，所述反应器为石英管，所述铜箔以反应器的内壁为模具，沿着反应器的内壁延伸卷曲成管状。

采用了上述技术方案后，本发明利用常压化学气相沉积法在铜箔的催化作用下实现大面积双层石墨烯薄膜在绝缘衬底上的制备，本方法操作方便，简单易行，可用于高端电子器件和集成电路；另外，本发明制备的大面积双层石墨烯薄膜与其它方法制备的石墨烯薄膜相比具有较少的缺陷和较高的迁移率的优点。

附图说明

图1为本发明所使用的一种反应装置的示意图；

图2为实施例一制备的大面积双层石墨烯薄膜的扫描电子显微镜照；

图3为实施例一制备的大面积双层石墨烯薄膜上选取点对应的拉曼光谱；

图4为实施例二制备的大面积双层石墨烯薄膜的扫描电子显微镜照片；

图5为实施例二制备的大面积双层石墨烯薄膜上选取点对应的拉曼光谱；

图6为实施例二制备的大面积双层石墨烯薄膜的透射电子显微镜照片；

图中，1、1号进气管，2、2号进气管，3、碳源，4、反应器，5、铜管，6、绝缘衬底。

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：

如图1所示，碳源为甲烷，铜管为多晶铜箔，反应器4为石英管，1号管为氩气管，2号管为氢气管，3号管为甲烷气管。

一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：

a)制备复合衬底：复合衬底包括位于外部的铜管5，以及设置在铜管5内部的绝缘衬底6，绝缘衬底6位于铜管5的范围内，所述铜管5起到催化剂的作用；以直径为1.5～5mm的小型石英管为模具，将多晶铜箔沿着石英管的内壁卷曲延伸成铜管，本实施例一中，使用1.8mm的石英管为模具；

b)将铜管置于洁净的反应器4中，本实施例中使用大型的石英管作为反应器4，随后将一片绝缘衬底6放入铜管5的中间位置，然后对石英管抽真空，通入氩气，抽真空，通入氢气，再次抽真空，重复三遍，以除去石英管及气路中的空气，然后向石英管中通入100-400sccm氢氩混合气体；

c)对复合衬底进行加热，以使铜管5和绝缘衬底6的温度达到1000℃，然后保持温度恒定30分钟，对绝缘衬底6表面进行退火处理；

d)继续保持1000℃温度恒定，在氢氩混合气体中通入甲烷，并共同通入石英管中，反应开始进行，即可在铜箔的催化作用下，在绝缘衬底6的表面得到大面积石墨烯薄膜。

在反应进行120分钟后，停止通入甲烷，继续通入氢氩混合气体，同时移动管式炉直到样品到达炉口，实现样品的快速冷却至室温。

如图2为制备的大面积双层石墨烯薄膜的扫描电子显微镜照，从图中可以看出大面积衬度单一的薄膜结构，再结合图3的拉曼光谱，说明该大面积的薄膜结构为石墨烯薄膜。

实施例二：

如图1所示，碳源为乙炔，还可以为甲烷与乙炔的混合气体，铜管5为单晶铜箔，反应器为石英管，1号管为氩气管，2号管为氢气管，3号管为甲烷和乙炔的混合气体的气管。

一种在绝缘衬底上制备大面积双层石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：

a)制备复合衬底：复合衬底包括位于外部的铜管5，以及设置在铜管5内部的绝缘衬底6，绝缘衬底6位于铜管5的范围内，所述铜管5起到催化剂的作用；以反应器4的内壁为模具，将单晶铜箔沿反应管4的内壁卷曲延伸成铜管5，随后将两片绝缘衬底6叠放在铜管5的中间位置；

b)将复合衬底放入反应器4后，本实施例中使用大型的石英管作为反应器4，然后对石英管抽真空，通入氩气，抽真空，通入氢气，再次抽真空，重复三遍，以除去石英管及气路中的空气，然后向石英管中通入100-400sccm氢氩混合气体，使混合气体充满反应器；

c)对复合衬底进行加热，以使铜管5和绝缘衬底6均达到1050℃，然后保持温度恒定120分钟，对绝缘衬底6表面进行退火处理；

d)继续保持1050℃温度恒定，在氢氩混合气体中通入甲烷和乙炔的混合气体，并共同通入石英管中，反应开始进行，即可在铜催化剂的作用下，在绝缘衬底的表面得到大面积石墨烯薄膜。

如图4为制备的大面积双层石墨烯薄膜的扫描电子显微镜照，从图中可以看出大面积衬度单一的薄膜结构，再结合图5的拉曼光谱，说明该大面积的薄膜结构为石墨烯薄膜；如图6的透射电子显微镜照片可看出石墨烯薄膜为双层结构。

本发明的方法能够在目标的绝缘衬底6上直接生成大面积的石墨烯薄膜，无需再进行衬底转移，避免转移过程中产生的杂质对石墨烯薄膜物理特性的影响，从而使其在光电器件上的应用更广泛；使用本发明的方法制得的石墨烯薄膜具有相对完整的晶格，具有优异的电学性质，特别是具有较高的载流子迁移率。

本发明利用常压化学气相沉积法在铜箔的催化作用下实现大面积双层石墨烯薄膜在绝缘衬底上的制备，本方法操作方便，简单易行，可用于高端电子器件和集成电路；另外，本发明制备的大面积双层石墨烯薄膜与其它方法制备的石墨烯薄膜相比具有较少的缺陷和较高的迁移率的优点。

当需要进行衬底转移时，可采用下述的方法：

首先将PMMA旋涂在绝缘衬底的生长有石墨烯的表面上，并在加热台上加热至干燥，然后放入氢氧化钾溶液中腐蚀至少24小时以除去二氧化硅层，之后依次用去离子水、稀盐酸、异丙醇洗净，烘干，转移到目标衬底上，最后使用热丙酮除去PMMA层。

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。