一种利用CVD方法直接在铜粉表面包覆石墨烯的方法

摘要

本发明提出一种利用CVD方法直接在铜粉表面包覆石墨烯的方法，包括如下步骤：(1)在P型单晶硅上表面蒸镀催化剂层；(2)进行碳纳米管生长；(3)将铜粉放置在碳纳米管阵列表面；(4)退火5min去除表面氧化物及使铜晶粒长大；(5)进行石墨烯生长，得到石墨烯包裹的铜粉。本发明的优点在于利用范德华力将铜粉放置在碳纳米管阵列上，防止铜粉被吹掉的同时不会出现大面积烧结。而且采用气体碳源可保证铜粉被少层石墨烯完整地覆盖增大其抗氧化性能，采用该方法制备石墨烯包裹的铜粉在提高其在空气中抗氧化能力的同时也保证了其导电性能。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种利用CVD方法直接在铜粉表面包覆石墨烯的方法，特别涉及了铜粉表面被石墨烯完全包裹的一种方法。

背景技术

铜是一种导电性和导热性都较好的金属材料，被应用在电气、机械等工业。目前铜粉尤其是纳米铜粉因其独特的性能被广泛地应用在导电材料、高能催化剂等领域中。此外，由于铜粉的价格相较于金、银等惰性金属低很多，故使得其开始被关注。但是，裸铜粉尤其是裸纳米铜粉在室温的环境下很快就会被氧化成氧化亚铜或者氧化铜。因此要使得铜粉能够被广泛应用必须要解决其易被氧化的问题。铜粉表面包裹石墨烯是一种理想的材料，可减缓其被氧化的速度同时保持其导电性。在铜粉抗氧化处理中，硅烷偶联剂包裹铜粉的方法会降低其导电性能；或者将生长好的石墨烯转移至铜粉表面，石墨烯与铜粉表面不能很好地接触将影响其导电和导热性能。而在铜粉表面直接生长石墨烯不但解决其抗氧化问题而且不会大幅度降低其导电性及导热性。

石墨烯是一种新型的材料，因其独特的纳米特性被广泛应用在散热、导电等方面，它具有高导热性、高化学稳定性，自石墨烯被发现以来，它作为添加材料来实现高导热性、高机械强度等方面的研究备受关注，但是在铜粉表面直接生长石墨烯并进行应用的研究相对较少。

中南大学贺跃辉课题组首次利用金属有机化合物在水平炉双温区600℃下化学气相淀积方法得到多层石墨烯包裹的纳米铜粉，室温下暴露在空气中60天其未被明显氧化。

天津大学赵乃勤课题组利用PMMA作为固体碳源，通过球磨与CVD热退火处理相结合的方法获得铜粉表面包裹多层石墨烯。从最初的PMMA粉末到PMMA液体以使铜粉表面充分被石墨烯包覆，成功制得了铜与石墨烯复合的材料，提高了其屈服强度和抗拉强度。

瑞士Norman A Luchinger等人利用还原性火焰的方法在铜粉表面原位生长石墨烯使其具有化学惰性和稳定性，然后将石墨烯包裹的铜粉制成喷墨印刷的墨水，得到导电性大于1S/cm的电路，此外该印刷电路具有高的化学稳定性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种利用CVD方法直接在铜粉表面包覆石墨烯的方法。

根据本发明实施例的一种利用CVD方法直接在铜粉表面包覆石墨烯的方法，包括如下步骤：

(1)使用电子束蒸发镀膜机在350μm厚的具有一层200nm二氧化硅的P型单晶硅上表面蒸镀催化剂层；

(2)利用CVD在在550℃下退火3min，然后在665℃下进行碳纳米管生长4min；

(3)将铜粉放置在步骤(2)获得的碳纳米管阵列表面，通过振动使铜粉吸附在碳纳米管表面，然后去除多余的铜粉；

(4)将步骤(3)中的铜粉与碳纳米管放进垂直的冷壁CVD中，在775℃下通入氢气和氩气退火5min去除表面氧化物及使铜晶粒长大以便于石墨烯生长；

(5)然后在775℃通入甲烷、氢气和氩气，其中，甲烷作为气体碳源进行石墨烯生长，生长时间为5min，氢气为还原性气体，氩气为保护性气体，最后先以200℃/min降至300℃，接着在氢气和氩气的气流中降至150℃再开启气泵关闭气体得到石墨烯包裹的铜粉。

有利地，步骤(1)中，催化剂层为20nm的氧化铝和1nm的铁

有利地，步骤(2)中，还原气体为流速700sccm的氢气，碳源气体为流速100sccm的乙炔。

有利地，步骤(3)中，铜粉为表面覆有柠檬酸钠分散剂的纳米铜粉。

有利地，所述铜粉的尺寸为15nm至700nm。

有利地，步骤(4)中，氢气流量为30sccm，氩气流量为1000sccm。

有利地，步骤(5)中，甲烷流速为10sccm，氢气流速为30sccm，氩气流速为1000sccm。

根据本发明实施例的一种利用CVD方法直接在铜粉表面包覆石墨烯的方法，首次将铜粉均匀分布在碳纳米管上，然后采用立式的冷壁CVD直接利用气体碳源原位生长均匀的少层石墨烯包裹铜粉。

本发明的优点在于利用范德华力将铜粉放置在碳纳米管阵列上，防止铜粉被吹掉的同时不会出现大面积烧结。而且采用气体碳源可保证铜粉被少层石墨烯完整地覆盖增大其抗氧化性能，采用该方法制备石墨烯包裹的铜粉在提高其在空气中抗氧化能力的同时也保证了其导电性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为柠檬酸钠分散剂包裹的铜粉的SEM图

图2为CVD生长后铜粉表面包裹石墨烯的SEM图

图3a和图3b为CVD生长后铜粉表面包裹石墨烯的局部放大SEM图

图4为铜粉表面包裹石墨烯的拉曼图

图5为铜粉表面包裹石墨烯空气中曝光90天后的XRD图

图6纯铜粉放置在二氧化硅表面进行石墨烯生长后的SEM图

图7纯铜粉放置在二氧化硅表面进行石墨烯生长后的局部放大SEM图

具体实施方式

实施例1

(1)使用电子束蒸发镀膜机在350μm厚的具有一层200nm二氧化硅的P型单晶硅上表面蒸镀催化剂层，该催化剂层为20nm的氧化铝和1nm的铁；

(2)利用CVD在在550℃下退火3min，然后在665℃下进行碳纳米管生长4min，其中还原气体为氢气，流速为700sccm，碳源气体为乙炔，流速为100sccm

(3)将铜粉放置在碳纳米管阵列表面，通过振动使铜粉吸附在碳纳米管表面，然后去除多余的铜粉

(4)将步骤(3)中的铜粉放进垂直的冷壁CVD中，在775℃下通入氢气和氩气退火5min去除表面氧化物及使铜晶粒长大以便于石墨烯生长，然后在775℃通入甲烷作为气体碳源进行石墨烯生长，生长时间为5min，其中甲烷流速为10sccm，最后先以200℃/min降至300℃，接着在氢气和氩气的气流中降至150℃再开启气泵关闭气体得到石墨烯包裹的铜粉，氢气流速为30sccm，氩气流速为1000sccm，如图2所示，其局部放大图如图3所示。

(5)然后对得到的铜粉进行表征分析，通过图4拉曼测试表明少层石墨烯存在，图5XRD测试表面石墨烯与单质铜晶体的存在，同时90天的曝光有一些氧化亚铜存在。

对比例

将铜粉直接放置在氧化硅表面放进CVD炉使用实例1相同的石墨烯条件生长，铜粉表面被石墨烯包裹，如图6所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，均落入本发明的保护范围。