具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，所述制備方法為以（110）晶面的半導(dǎo)體材料為催化基底，采用化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)氣態(tài)或固態(tài)碳源于所述催化基底表面形成具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)惰性氣體、碳源和氫氣的濃度比例、生長(zhǎng)溫度以及生長(zhǎng)時(shí)間等可以控制單晶石墨烯的尺寸、密度、形狀，并且可以直接獲得排列整齊的石墨烯單晶疇。本發(fā)明獲得的石墨烯單晶疇，具有高質(zhì)量、低缺陷，并且規(guī)則排列等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種石墨烯單晶疇的制備方法，特別是涉及一種具有特定形狀且排列 整齊的石墨烯單晶疇的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 自從2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家使用微機(jī)械剝離的方法發(fā)現(xiàn)石墨烯 以來(lái)，石墨烯的出現(xiàn)激起了巨大的波瀾。石墨烯不僅是電子產(chǎn)業(yè)的新星，應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)的 前途也不可限量。
[0003] 石墨烯（Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平 面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材 料，它幾乎是完全透明的，只吸收2. 3 %的光，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m · K，高于碳納米管和 金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm2/V · s，比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約 1(Γ6Ω ·_，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子遷移 速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于 石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，因而也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是 太陽(yáng)能電池。
[0004] 石墨烯的應(yīng)用范圍廣闊。根據(jù)石墨烯超薄，強(qiáng)度超大的特性，石墨烯可被廣泛應(yīng)用 于各領(lǐng)域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機(jī)材料等。根據(jù)其優(yōu)異的導(dǎo)電性，使它在微電子 領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯有可能會(huì)成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生 產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，碳元素更高的電子遷移率可以使未來(lái)的計(jì)算機(jī)獲得更高的速度。另 外石墨烯材料還是一種優(yōu)良的改性劑，在新能源領(lǐng)域如超級(jí)電容器、鋰離子電池方面，由于 其高傳導(dǎo)性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑
[0005] 目前有許多制備石墨烯的方法，主要有機(jī)械剝離法、SiC外延法、化學(xué)氧化法、化學(xué) 氣相沉積法等。上述的這些方法很難使石墨烯生長(zhǎng)成排列整齊且有規(guī)則的單晶疇。然而，石 墨烯基納米器件的制備工藝中，排列整齊并具有規(guī)則形狀的石墨烯單晶疇是必不可少的。 最重要的是難以采用常規(guī)方法制備出排列整齊的石墨烯單晶疇。
[0006] 因此，提供一種能夠制備出具有特定形狀、且排列整齊的石墨烯單晶疇的方法實(shí) 屬必要，也是當(dāng)今研究和生產(chǎn)所需要解決的一個(gè)重要項(xiàng)目。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種具有特定形狀且排列 整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)的方法中，很難使石墨烯生長(zhǎng)成排列 整齊且有規(guī)則的單晶疇的問(wèn)題。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種具有特定形狀且排列整齊的石 墨烯單晶疇的制備方法，所述制備方法為以（110)晶面的半導(dǎo)體材料為催化基底，采用化 學(xué)氣相沉積法，通過(guò)氣態(tài)或固態(tài)碳源于所述催化基底表面形成具有特定形狀且排列整齊的 石墨稀單晶疇。
[0009] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述半導(dǎo)體材料為鍺。
[0010] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的氣壓為常壓。
[0011] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的原料包括流量為100?30〇SCCm的惰性氣體、流量為 0. 3?0. 65sccm的甲燒碳源、以及流量為20?50sccm的氫氣。
[0012] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的溫度范圍為850?920°C。
[0013] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的時(shí)間范圍為60?200min。
[0014] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述石墨烯單晶疇生長(zhǎng)完成后，采用的降溫速率為5?10°C /min。
[0015] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述石墨稀單晶疇的尺寸范圍為10?2000nm。
[0016] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述石墨烯單晶疇的密度范圍為0. 2?20/μ m2。
[0017] 作為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的一種優(yōu)選 方案，所述石墨烯單晶疇形狀包括矩形、橢圓形及六邊形的一種。
[0018] 如上所述，本發(fā)明提供一種具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方 法，所述制備方法為以（110)晶面的半導(dǎo)體材料為催化基底，采用化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)氣 態(tài)或固態(tài)碳源于所述催化基底表面形成具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇。本發(fā)明 通過(guò)調(diào)節(jié)惰性氣體、碳源和氫氣的濃度比例、生長(zhǎng)溫度以及生長(zhǎng)時(shí)間等可以控制單晶石墨 烯的尺寸、密度、形狀，并且可以直接獲得排列整齊的石墨烯單晶疇。本發(fā)明獲得的石墨烯 單晶疇，具有高質(zhì)量、低缺陷，并且規(guī)則排列等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1顯示為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法的步 驟流程示意圖。
[0020] 圖2顯示為本發(fā)明的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法所制 備的石墨烯單晶疇的單個(gè)晶粒拉曼光譜圖。
[0021] 元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0022] S11?S13 步驟1)?步驟3)

【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0024] 請(qǐng)參閱圖1?圖2。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明 本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0025] 如圖1所示，本實(shí)施例提供一種具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備 方法，所述制備方法為以（110)晶面的半導(dǎo)體材料為催化基底，采用化學(xué)氣相沉積法，通過(guò) 氣態(tài)或固態(tài)碳源于所述催化基底表面形成石墨烯單晶疇。
[0026] 如圖1所示，具體地，包括以下步驟：
[0027] 步驟1)S11，提供一（110)晶面的半導(dǎo)體材料為催化基底，在本實(shí)施例中，所述催 化基底選用為（110)晶面的錯(cuò)基底。（110)晶面的錯(cuò)基底對(duì)石墨稀單晶疇具有非常良好的 催化作用。當(dāng)然，其它（110)晶面的半導(dǎo)體材料基底也可能適用，因而并不限定于此處所列 舉的一種示例。
[0028] 步驟2) S12,采用化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)氣態(tài)或固態(tài)碳源于所述催化基底表面形成 具有特定形狀且排列整齊的石墨稀單晶疇。
[0029] 作為示例，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的氣壓為常壓。
[0030] 作為示例，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的原料包括流量為100?300sccm的惰性 氣體、流量為〇. 3?0. 65SCCm的甲烷碳源、以及流量為20?5〇SCCm的氫氣。在本實(shí)施例 中，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的原料包括流量為20〇 SCCm的惰性氣體、流量為0. 5SCCm的 甲烷碳源、以及流量為3〇SCCm的氫氣。
[0031] 作為示例，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的溫度范圍為850?920°C。在本實(shí)施例 中，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的溫度為900°C。
[0032] 作為示例，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的時(shí)間范圍為60?200min，通常來(lái)說(shuō)，石 墨烯在30分鐘左右開始成核，而在60?200min范圍內(nèi)可以形成石墨烯單晶疇。在本實(shí)施 例中，所述化學(xué)氣相沉積法所采用的時(shí)間范圍為l〇〇min。值得注意的是，這個(gè)時(shí)間范圍為本 實(shí)施例最優(yōu)選的時(shí)間范圍，在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，可以形成良好的石墨烯單晶疇，而超出這個(gè) 時(shí)間范圍后，石墨稀單晶疇容易形成連續(xù)月吳。
[0033] 步驟3)S13,采用適當(dāng)?shù)慕禍厮俾蕦?duì)石墨烯單晶疇進(jìn)行降溫。
[0034] 作為示例，所述石墨烯單晶疇生長(zhǎng)完成后，采用的降溫速率為5?10°C /min。在 本實(shí)施例中，采用的降溫速率為8°C /min。需要說(shuō)明的是，降溫速率主要影響褶皺的出現(xiàn)， 降溫速度太快的話，由于熱失配會(huì)出現(xiàn)褶皺，影響質(zhì)量。因此，本實(shí)施例采用的降溫速率為 5?10°C /min,既能保證降溫的效率，同時(shí)能保證石墨烯單晶疇的質(zhì)量。
[0035] 作為示例，本實(shí)施例所制備的石墨烯單晶疇的尺寸范圍為10?2000nm。
[0036] 作為示例，所述石墨烯單晶疇的密度范圍為0. 2?20/μ m2,即每平方微米內(nèi)具有 的石墨烯單晶疇的數(shù)量為〇. 2?20個(gè)。
[0037] 作為示例，所述石墨烯單晶疇形狀包括矩形、橢圓形及六邊形的一種。
[0038] 圖2顯示為本實(shí)施例制備的石墨烯單晶疇的單個(gè)晶粒拉曼光譜數(shù)據(jù)圖，由圖可以 看出，其中，拉曼光譜的2D峰與拉曼光譜的G峰的比值I 2D/Ie?3,2D峰的峰寬FWHM2D = 31CHT1，說(shuō)明每個(gè)晶粒是高質(zhì)量單層石墨烯單晶疇。
[0039] 如上所述，本發(fā)明提供一種具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方 法，所述制備方法為以（110)晶面的半導(dǎo)體材料為催化基底，采用化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)氣 態(tài)或固態(tài)碳源于所述催化基底表面形成具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇。本發(fā)明 通過(guò)調(diào)節(jié)惰性氣體、碳源和氫氣的濃度比例、生長(zhǎng)溫度以及生長(zhǎng)時(shí)間等可以控制單晶石墨 烯的尺寸、密度、形狀，并且可以直接獲得排列整齊的石墨烯單晶疇。本發(fā)明獲得的石墨烯 單晶疇，具有高質(zhì)量、低缺陷，并且規(guī)則排列等優(yōu)點(diǎn)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的 種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0040] 上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1. 一種具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特征在于，以（110) 晶面的半導(dǎo)體材料為催化基底，采用化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)氣態(tài)或固態(tài)碳源于所述催化基 底表面形成具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特 征在于：所述半導(dǎo)體材料為鍺。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特 征在于：所述化學(xué)氣相沉積法所采用的氣壓為常壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特 征在于：所述化學(xué)氣相沉積法所采用的原料包括流量為100?300s CCm的惰性氣體、流量為 0. 3?0. 65sccm的甲燒碳源、以及流量為20?50sccm的氫氣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特 征在于：所述化學(xué)氣相沉積法所采用的溫度范圍為850?920°C。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特 征在于：所述化學(xué)氣相沉積法所采用的時(shí)間范圍為60?200min。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特 征在于：所述石墨烯單晶疇生長(zhǎng)完成后，采用的降溫速率為5?10°C /min。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特 征在于：所述石墨烯單晶疇的尺寸范圍為10?2000nm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其特 征在于：所述石墨烯單晶疇的密度范圍為0. 2?20/μ m2。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有特定形狀且排列整齊的石墨烯單晶疇的制備方法，其 特征在于：所述石墨烯單晶疇形狀包括矩形、橢圓形及六邊形的一種。
【文檔編號(hào)】C30B29/02GK104152991SQ201410441163
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】狄增峰, 戴家赟, 王剛, 鄭曉虎, 薛忠營(yíng), 汪子文, 張苗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所