一种凹形结构单晶石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种凹形结构单晶石墨烯的制备方法包括以下步骤：1)使用乙酸和丙酮超声清洗铜箔基底，然后进行预退火处理；2)对退火后的铜箔基底进行预氧化处理；3)采用化学气相沉积法在经步骤2)预氧化处理后的铜箔上进行化学气沉积，冷却即得所述凹形结构单晶石墨烯。本发明专利技术涉及的制备工艺简单、操作方便、可重复性好，通过控制反应气氛，制备出具有凹形(内部单层外围双层)结构的单晶石墨烯，且涉及的成本低、重复性好，在光学、微波二极管和传感器等领域具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种凹形结构单晶石墨烯及其制备方法
本专利技术涉及一种凹形结构单晶石墨烯及其制备方法，尤其涉及一种中部单层外围双层结构的单晶石墨烯的可控制备。
技术介绍
自2004年以来，人们对石墨烯性质以及应用的研究取得了巨大的突破，与之对应的石墨烯的制备技术也在迅速进步中，寻找到一种快速廉价的方式来制备高质量石墨烯是所有石墨烯研究人员关注的焦点。迄今为止，人们已经发展出机械剥离法、碳化硅外延法、液相剥离法、氧化还原法，化学气相沉积法和自下而上合成法等制备方法。这些方法各有优势，适用于不同的场合，其中化学气相沉积法被认为是最具前景的制备方法。随着对石墨烯的深入研究，人们得到了一系列特殊结构的石墨烯，它们特殊的结构和性能可以满足许多特殊行业的需求，得到这些特殊结构的石墨烯的方法主要有两种：光刻和化学气相沉积。其中，通过光刻法得到目标结构的石墨烯需要经过旋涂、制作掩模板、光刻和除胶等步骤，成本十分高昂。本专利技术通过甲烷分压、沉积温度和预氧化的协同作用得到了“凹”形结构的石墨烯，成本低廉，重复性好。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种凹形结构单晶石墨烯的制备方法，本专利技术通过甲烷分压、沉积温度和预氧化的协同作用制得的石墨烯具有中部单层、外围双层的单晶结构，且涉及的重复性好，对石墨烯单晶的研究具有重要的推进作用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种凹形结构单晶石墨烯的制备方法，包括如下步骤：1)使用乙酸和丙酮超声清洗铜箔基底，然后进行预退火处理；2)将经步骤1)处理所得铜箔基底进行预氧化处理；3)采用化学气相沉积法在经步骤2)预氧化处理后的铜箔上进行化学气相沉积，冷却即得所述凹形结构单晶石墨烯。上述方案中，所述超声清洗步骤为：采用超声波清洗方法，用乙酸(纯度99.5wt％)和丙酮(纯度99.5wt％)分别对铜箔清洗20～40min。其中乙酸可以清洗掉铜箔表面的氧化层，使铜原子暴露在最表层，提升催化性能。丙酮可以清洗掉铜箔表面的残留有机杂质，有利于减小石墨烯成核密度，通过超声波清洗的方式使清洗更加彻底，保证石墨烯生长环境的清洁。上述方案中，所述预退火处理采用常压退火工艺，具体步骤如下：首先通入500～1000sccm的Ar气排尽空气，然后同时通入50～100sccm的H2气，再加热至1050～1080℃，退火90～120min，关闭H2气。本专利技术采用退火工艺可以进一步去除铜箔表面的杂质，还可以使铜晶畴长大，得到原子级平整的表面，有利于控制石墨烯的成核。上述方案中，所述预氧化处理工艺为：保持Ar气的通入流量为500～1000sccm并排尽H2气，再同时通入3～5sccm的O2气，氧化温度为1050～1080℃，氧化时间为5～10min，关闭O2气。本专利技术采用预氧化处理工艺钝化铜箔，使氧原子占据石墨烯的成核位点，进一步减小石墨烯成核密度，有利于石墨烯单晶的长大。上述方案中，所述化学气沉积步骤为：保持Ar气的通入流量为500～1000sccm并通入300～500sccm的H2，同时通入1～1.5sccm的CH4，沉积温度为1050～1080℃，沉积时间为60～90min。本步骤通过预氧化、气氛和沉积温度的协同作用即可得到内部单层外围双层结构的单晶石墨烯，成本低廉，重复性好。上述方案中，步骤3)中所述冷却步骤中保持Ar气的通入流量为500～1000sccm，关闭CH4，并调节H2流量为50～100sccm的，待温度降至100℃以下，关闭Ar、H2。本步骤通入500～1000sccm的Ar和50～100sccm的H2，使所得石墨烯薄膜在保护气氛下稳定冷却，保证了所得石墨烯薄膜的质量，得单晶石墨烯为中部单层外围双层的结构(凹形结构单晶石墨烯)。根据上述方案制备的凹形结构单晶石墨烯，它呈中部单层外围双层的片状结构(中部为单层石墨烯，外围为双层石墨烯，形成中部向下凹陷的凹形结构)，单晶石墨烯的等效直径为10～80μm。其中，中部的单层石墨烯具有半金属的特性，外围的双层石墨烯结构具有半导体的特性，在二者界面处可以形成肖特基结，可应用于微波二极管等领域。本专利技术通过甲烷分压、沉积温度和预氧化的协同作用，首次得到了新型凹形结构的单晶石墨烯。使用这种单晶石墨烯制作成场效应晶体管期望具有优异的性能；此外由于凹形结构单晶石墨烯在层数分布上的不均匀性，可以应用于微波二极管和传感器等方面，具有广阔的应用前景。本专利技术的有益效果为：本专利技术涉及的制备方法简单，操作简便，在甲烷分压、沉积温度和预氧化的协同作用下，即可得到中部单层、外围双层结构的片状凹形结构单晶石墨烯，成本低廉，重复性好，且所得产物在层数分布上的不均匀性，在光学、微波二极管和传感器等领域具有很好的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1所得产物的SEM图；图2为本专利技术实施例1所得产物在SiO2/Si基板上的(a)拉曼测试结果和(b)光学显微镜下的结构图；图3为本专利技术实施例1所得产物的双层区域的SAED图。图4为本专利技术对比例所得产物的SEM图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1一种凹形结构单晶石墨烯，其制备方法包括如下步骤：1)裁剪面积为2cm×2cm的铜箔，先后采用醋酸(纯度为99.5wt％)和丙酮(浓度为99.5wt％)将铜箔超声波清洗20min；将清洗后的铜箔放入石英管内，石英管直径为6cm，长度为100cm，通入500sccm的Ar，保持30min，确保排尽石英管内的空气，再同时通入50sccm的H2，以15℃/min的速度升至1050℃，保持90min(退火)，关闭H2；2)保持步骤1)中的Ar气流量排尽石英管内H2，再通入3sccm的O2进行预氧化处理，保持5min，氧化温度为1050℃，关闭O2；保持步骤2)中Ar的流量不变，H2的流量增加至300sccm，并通入1sccm的CH4，在1050℃温度下进行化学气相沉积，在铜箔上保温生长60min；3)保持步骤2)中Ar的流量不变，关闭CH4，H2流量减小至50sccm，待温度降至100℃以下，关闭Ar、H2，取出样品，即得所述凹形结构单晶石墨烯。图1为本实施例所得产物的SEM结构图，所得产物直径为10～80μm；图2为实施例所得产物在SiO2/Si基板上的(a)光学显微镜下的结构图和(b)拉曼测试结果，其中1号区域的I2D：IG>2，即1号区域为单层区域，2号区域的I2D：IG<1，即2号区域为双层区域，说明所得产物呈内部单层、外围双层的凹形结构。图3为实施例所得产物的双层区域的SAED图，图中I1-210：I1-100>2，即拍摄区域为双层区域。将本实施例所得产物应用于制备微波二极管，表现出良好的使用性能。实施例2一种凹形结构单晶石墨烯，其制备方法包括如下步骤：1)裁剪面积为2cm×2cm的铜箔，先后采用醋酸(纯度为99.5wt％)和丙酮(浓度为99.5wt％)将铜箔超声波清洗30min；将清洗后的铜箔放入石英管内，石英管直径为6cm，长度为100cm，通入750sccm的Ar，保持30min，确保排尽石英管内的空气，再同时通入75sccm的H2，以15℃/min的速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种凹形结构单晶石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)使用乙酸和丙酮超声清洗铜箔基底，然后进行预退火处理；2)将经步骤1)处理所得铜箔基底进行预氧化处理；3)采用化学气相沉积法在经步骤2)预氧化处理后的铜箔上进行化学气沉积，冷却即得所述凹形结构单晶石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种凹形结构单晶石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)使用乙酸和丙酮超声清洗铜箔基底，然后进行预退火处理；2)将经步骤1)处理所得铜箔基底进行预氧化处理；3)采用化学气相沉积法在经步骤2)预氧化处理后的铜箔上进行化学气沉积，冷却即得所述凹形结构单晶石墨烯。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超声清洗步骤为：采用超声波清洗方法，先后用乙酸和丙酮分别对铜箔清洗20～40min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预退火处理采用常压退火工艺，具体步骤如下：首先通入500～1000sccm的Ar气排尽空气，然后同时通入50～100sccm的H2气，再加热至1050～1080℃，退火90～120min，退火完成即关闭H2气。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预氧化处理工艺为：保持Ar气的通入流量为50...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂溶，张翅腾飞，章嵩，张联盟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42