一種批量多襯底制備石墨烯薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯薄膜的制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種批量多襯底制備石墨烯薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是碳原子基于sP2雜化組成的六角蜂巢狀結(jié)構(gòu)，僅一個(gè)原子層厚的二維晶體。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov等人發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的單層石墨稀，也因其在石墨烯方面的開創(chuàng)性工作而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近年來，石墨烯在微電子、量子物理、材料、化學(xué)等領(lǐng)域都表現(xiàn)出許多令人振奮的性能和潛在的應(yīng)用前景，吸引了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。石墨烯具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性質(zhì)。石墨烯常溫下的電子迀移率超過15000cm2/V.s，超過碳納米管和硅晶體，而電阻率只約10—6 Ω.cm，比銅或銀的更低，是目前世上電阻率最小的材料。而其高達(dá)97.7%的全波段透光率是其他導(dǎo)電材料難以匹敵的。
[0003]近年來，石墨烯在微電子、量子物理、材料、化學(xué)等領(lǐng)域都表現(xiàn)出許多令人振奮的性能和潛在的應(yīng)用前景，吸引了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，工業(yè)上普遍采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法作為制備大面積石墨烯的方法，但是對(duì)于批量制備的方法都很難突破，依靠各種夾持結(jié)構(gòu)的載具同時(shí)制備多片石墨烯又大大增加了整體負(fù)載，減小了樣品數(shù)量，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，而且制備出的石墨烯薄膜均勻性不好，層數(shù)難以控制，從而導(dǎo)致石墨烯薄膜整體的電學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。
[0004]公開號(hào)為CN104131266的專利文件公開了一種可批量制備薄膜材料的方法及類似裝置，通過該方法可在襯底上進(jìn)行沉積或噴鍍等方法批量進(jìn)行石墨烯薄膜的制備，但該方法需要依賴雙面加熱的設(shè)計(jì)方法和裝置，這種夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且所需的石墨烯生長溫度較高，所制得的石墨烯薄膜層數(shù)較少，雙面多襯底在高溫下容易存在層間粘連的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述【背景技術(shù)】中的不足，本發(fā)明提供了一種批量多襯底制備石墨烯薄膜的方法，該方法步驟如下:
[0006](I)基底高溫退火:將金屬基底在溫度900°C-1050°C下進(jìn)行退火處理30min以上，
并冷卻至室溫；
[0007](2)涂布碳源:在金屬基底上涂布一層碳源溶液，并烘干溶液至固化；
[0008](3)放樣品:將涂有固態(tài)碳源的金屬基底切成適合CVD反應(yīng)腔體尺寸的大小，并層狀堆疊好；
[0009](4)石墨烯成核:將涂有碳源的多層金屬基底一并放入CVD反應(yīng)腔體中，溫度升高至碳源的分解溫度，碳原子重新組合，進(jìn)入石墨烯成核階段；
[0010](5)薄膜生長:碳源分子擴(kuò)散至整個(gè)金屬基底上，在石墨烯晶核周圍擴(kuò)散并繼續(xù)外延生長，形成石墨烯薄膜；
[0011](6)冷卻:將基底和石墨烯進(jìn)行冷卻降溫，完成石墨烯薄膜的制備。
[0012]本發(fā)明所涉及的金屬基底可以為&1，仙，附，&，？七等中的一種或者兩種的合金。
[0013]本發(fā)明所涉及的碳源溶液可以是碳?xì)浠蛘咛細(xì)溲醯木酆衔锾荚?，即聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的共聚物或者聚醚，聚酯，聚烯烴等。
[0014]本發(fā)明所涉及的涂有固態(tài)碳源的金屬基底的層數(shù)為單層或2?100層中的任意層數(shù)。
[0015]本發(fā)明所公開的一種批量多襯底制備石墨烯薄膜的方法，采用多襯底上的固態(tài)碳源來批量制備石墨烯，多層襯底可以密集堆積，省略了多襯底制備必須的夾具結(jié)構(gòu);精密控制碳源濃度，通過碳源涂布量控制石墨烯薄膜的層數(shù)，在生長過程中除去了現(xiàn)有CVD方法中氣體碳源和氫氣的成本；降低石墨烯生長溫度，使碳原子在400?500°C的溫度下擴(kuò)散生成石墨烯薄膜，減少了升降溫時(shí)間和能源損耗，具有工業(yè)化優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所涉及的石墨烯薄膜制備方法的技術(shù)流程圖。
[0017]圖2為具有涂布均勻的PMMA的銅箔堆疊在一起的示意圖，其中，I為碳源涂層，2為金屬基底。
[0018]圖3為銅箔上生長的石墨烯轉(zhuǎn)移到PET上的方塊電阻分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
[0020]本實(shí)施例提供了一種批量多襯底制備石墨烯薄膜的方法，該方法的技術(shù)流程如圖1所示，包括金屬基底退火，涂布固態(tài)碳源，固化碳源，多襯底堆放，碳源分解成核，石墨烯生長成膜和冷卻過程，具體步驟如下:
[0021 ] (I)基底高溫退火:將1cm X 20cm的銅箔放在CVD反應(yīng)腔中，壓力設(shè)置為常壓，在H2流量為lOOsccm的氣氛下，溫度在1050°C下進(jìn)行退火，時(shí)間30?40min，然后將溫度冷卻至室溫O
[0022](2)涂布碳源:將經(jīng)過高溫退火后的每片銅箔平整的放在Si片上，旋涂10%的PMMA溶液，甩膠轉(zhuǎn)速3000r/m，時(shí)間50秒。將Cu/PMMA/Si加熱至110°C,烘干PMMA溶液20分鐘使其固化，形成固態(tài)碳源。
[0023](3)放樣品:將涂有固態(tài)碳源的銅箔剪成若干5cm X 5cm大小的涂有固態(tài)碳源I的銅箔2結(jié)構(gòu)，如圖2所示，將20片涂有固態(tài)碳源I的銅箔2結(jié)構(gòu)堆疊在一起，一并放置于CVD反應(yīng)腔中。
[0024](4)石墨稀成核:向CVD反應(yīng)腔內(nèi)通入氬氣10sccm和氫氣20sccm，調(diào)整腔體溫度為常壓，將反應(yīng)腔溫度調(diào)節(jié)至50(TC，保持生長20分鐘，使碳源分子分解重組在銅箔上成核。
[0025](5)薄膜生長:在重新成核以后，碳原子擴(kuò)散至整個(gè)銅箔基底2，形成石墨烯薄膜。
[0026](6)冷卻:最后停止加熱，并保持氬氣lOOsccm和氫氣20sCCm混合氣中將溫度迅速降至室溫，完成石墨烯薄膜的制備。
[0027]本實(shí)施例所制得的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到PET上的方塊電阻分布圖如圖3所示。
[0028]實(shí)施例2
[0029]本實(shí)施例提供了一種批量多襯底制備石墨烯薄膜的方法，該方法的技術(shù)流程如圖1所示，包括金屬基底退火，涂布固態(tài)碳源，固化碳源，多襯底堆放，碳源分解成核，石墨烯生長成膜和冷卻過程，具體步驟如下:
[0030](I)基底高溫退火:將1cm X 20cm的鎳箔放在CVD反應(yīng)腔中，壓力設(shè)置為常壓，在H2流量為lOOsccm的氣氛下，溫度在1200 °C下進(jìn)行退火，時(shí)間30?40min，然后將溫度冷卻至室溫O
[0031](2)涂布碳源:將經(jīng)過高溫退火后的每片鎳箔平整的放在Si片上，旋涂2%的PMMA溶液，甩膠轉(zhuǎn)速3000r/m，時(shí)間50秒。將Ni/PMMA/Si加熱至110°C,烘干PMMA溶液20分鐘使其固化，形成固態(tài)碳源。
[0032](3)放樣品:將涂有固態(tài)碳源的鎳箔剪成若干5cm X 5cm大小的涂有固態(tài)碳源I的鎳箔2結(jié)構(gòu)，如圖2所示，將10片涂有固態(tài)碳源I的鎳箔2結(jié)構(gòu)堆疊在一起，一并放置于CVD反應(yīng)腔中。
[0033](4)石墨稀成核:向CVD反應(yīng)腔內(nèi)通入氬氣50sccm和氫氣lOsccm，調(diào)整腔體溫度為常壓，將反應(yīng)腔溫度調(diào)節(jié)至50(TC，保持生長20分鐘，使碳源分子分解重組在鎳箔上成核。
[0034](5)薄膜生長:在重新成核以后，碳原子擴(kuò)散至整個(gè)鎳箔基底2，形成石墨烯薄膜。
[0035](6)冷卻:最后停止加熱，并保持氬氣50sCCm和氫氣1sccm混合氣中將溫度迅速降至室溫，完成石墨稀薄I旲的制備。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種批量多襯底制備石墨烯薄膜的方法，其特征在于，該方法步驟如下: (1)基底高溫退火:將金屬基底在溫度900°c-1050°c下進(jìn)行退火處理30min以上，并冷卻至室溫； (2)涂布碳源:在金屬基底上涂布一層碳源溶液，并烘干溶液至固化； (3)放樣品:將涂有固態(tài)碳源的金屬基底切成適合CVD反應(yīng)腔體尺寸的大小，并層狀堆置好； (4)石墨烯成核:將涂有碳源的多層金屬基底一并放入CVD反應(yīng)腔體中，溫度升高至碳源的分解溫度，碳原子重新組合，進(jìn)入石墨烯成核階段； (5)薄膜生長:碳源分子擴(kuò)散至整個(gè)金屬基底上，在石墨烯晶核周圍擴(kuò)散并繼續(xù)外延生長，形成石墨烯薄膜； (6)冷卻:將基底和石墨烯進(jìn)行冷卻降溫，完成石墨烯薄膜的制備。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬基底可以為Cu，Ru，Ni，Ir，Pt等中的一種或者兩種的合金。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳源溶液可以是碳?xì)浠蛘咛細(xì)溲醯木酆衔锾荚?，即聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的共聚物或者聚醚，聚酯，聚烯烴等。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂有固態(tài)碳源的金屬基底的層數(shù)為單層或2?100層中的任意層數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種批量多襯底制備石墨烯薄膜的方法，該方法的步驟如下：基底高溫退火，在基底上涂布碳源，固化碳源，將堆疊的金屬基底放在CVD反應(yīng)腔中，在分解溫度下使固態(tài)碳源的碳原子重組，進(jìn)行石墨烯成核，碳源分子擴(kuò)散至整個(gè)金屬基底上，在多襯底上形成石墨烯薄膜，對(duì)生成的石墨烯薄膜進(jìn)行冷卻降溫，完成石墨烯薄膜的制備。本發(fā)明采用多襯底堆疊生長石墨烯薄膜，省去了批量制備石墨烯所需的夾具結(jié)構(gòu)；低溫生長石墨烯，減少了升降溫時(shí)間和能源損耗，具有工業(yè)化優(yōu)點(diǎn)；在生長過程中除去了現(xiàn)有CVD方法氣體碳源和氫氣的成本；可通過碳源涂布量控制石墨烯薄膜的層數(shù)。
【IPC分類】C23C20/06, C01B31/04
【公開號(hào)】CN105668559
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610063713
【發(fā)明人】高翾, 李占成, 姜浩, 史浩飛
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年1月29日