一种可控定向生长石墨烯的方法及由该方法制备的石墨烯技术

一种基于等离子体化学气相沉积原理在不同形状衬底上可控定向生长石墨烯的方法。将衬底材料放置于密封腔体中，通入气体并等离子体化，保持低气压并加热衬底材料和在衬底上施加偏置电压。当升温至所需的生长温度时，通入碳基化合物气体以形成等离子体，使其碳基分子裂解在衬底上生成石墨烯。通过控制偏置电压、气体压强、衬底表面形状等，使石墨烯获得沿指定方向生长的能量，实现石墨烯在衬底上取向生长。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于等离子体化学气相沉积原理在不同形状衬底上可控定向生长石墨烯的方法。将衬底材料放置于密封腔体中，通入气体并等离子体化，保持低气压并加热衬底材料和在衬底上施加偏置电压。当升温至所需的生长温度时，通入碳基化合物气体以形成等离子体，使其碳基分子裂解在衬底上生成石墨烯。通过控制偏置电压、气体压强、衬底表面形状等，使石墨烯获得沿指定方向生长的能量，实现石墨烯在衬底上取向生长。【专利说明】—种可控定向生长石墨烯的方法及由该方法制备的石墨烯
本专利技术涉及一种基于等离子体化学气相沉积原理实现可控生长具有方向取向性的石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角蜂窝晶格排列的二维纳米材料，具有非常薄的层厚度，单层石墨烯的厚度仅有0.34nm。石墨烯由于其优秀而独特的物理化学特性受到关注，例如高电子迁移率、高导热率等特性，在场效应管、透明电极、超级电容、场发射电子源、太阳能电池等光电器件中应用，将会带来器件性能的革新。针对不同器件的应用，石墨烯形态和特性需求及制备技术要求不同，例如，场效应管要求石墨烯宽度可控和平整性，透明电极要求石墨烯的大面积均匀性和光透过率，超级电容要求石墨烯的体表面积足够大，太阳能电池要求石墨烯电极提供更多的辐射接收面积，场发射电子源要求石墨烯必须直立于衬底和具有高曲率半径的边缘。 现有制备石墨烯的方法，包括机械剥离法、化学还原法、热化学气相沉积法等，制备出的石墨烯是以薄膜或者碎片形态，无法满足某些要求功能材料与衬底形成一定取向角的器件应用要求，例如，针对超级电容、太阳能电池和场发射电子源的应用，要求石墨烯垂直或倾斜于衬底生长，以将其原子级厚度的薄层边缘露出于表面，同时石墨烯的两个表面不与衬底接触。这种定向生长石墨烯符合场发射阴极的理想形态，由于具有尖锐边缘，应用于场发射电子源可以获得高场增强因子，可以承受高场发射电流，可以快速散发热量，是一种优秀的二维场发射材料。这种定向生长石墨烯符合超级电容电极的理想形态，由于具有非常大的表面积，应用于超级电容电极可以获得高充电容量，可以获得高充放电速度和效率。这种定向生长石墨烯符合太阳能电池极板的要求，定向直立石墨烯可以与衬底成任意角度，以获得更高的辐射接受面积。 直接在器件结构中生长石墨烯，是材料在器件中应用的理想模式。由此，可控生长石墨烯技术的实现是关键。基于等离子体化学气相沉积原理，通过控制生长条件，可以实现控制石墨烯的生长方向和适应不同形状衬底上制备，满足器件应用中对定向生长石墨烯的要求。该方法的优点包括生长温度低、不需要催化剂、可以控制等离子体的密度和温度，并兼容多种衬底。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于等离子体化学气相沉积原理可控生长定向石墨烯的方法。 所述可控生长定向石墨烯的方法原理是，将低气压腔体内的气体等离子体化，并加热衬底材料和在衬底上施加偏置电压。当升温至所需的生长温度时，通入碳氢化合物气体，并形成等离子体，使其碳基分子具有足够能量在衬底上生成石墨烯，同时控制等离子体的密度和鞘层电场，利用鞘层电场在衬底表面的可控分布，实现石墨烯沿与衬底呈一定角度的方向生长。 一种可控定向生长石墨烯的方法，包括如下步骤: (I)将衬底置于带可施加偏置电压装置的反应腔体中，其中放置衬底的样品架同时作为负电极板，封闭所述反应腔体并抽至低真空状态，通入氢气，并保持气压在低压状态； (2)打开等离子发生源，将氢气等离子体化，同时加热衬底至生长温度； (3)在偏置电压装置的正电极板与负电极板间施加偏置电压； (4)通入碳基化合物气体，使碳基化合物等离子体化，并维持一定的压强、偏置电压、温度和生长时间，生长定向石墨烯； (5)关闭等离子发生源，关闭偏置电压，关闭气体，待自然降温至室温后取出衬底。 其采用的制备系统包括:一等离子发生源、一可提供密封腔体的发生器、一样品架、一带有正电极板和负电极板的偏置电压装置、一真空泵、一气体源与流量控制器及一偏置电压电源。 所述衬底材料可以是金属、硅片、陶瓷等任何可以承受550°C及以上的固态材料。 所述衬底材料可以是平面、凸形、凹形、抛物形等任何不规则。 所述样品架用于放置衬底，通过控制样品架形状，控制作用于衬底表面的等离子体形状和方向。 所述电极板可以是不锈钢、钨、钥等高熔点金属材料。 所述施加偏置电压用于产生一定电场来控制等离子体密度和强度。 所述气体可以是甲烷、乙炔、乙烯、一氧化碳和二氧化碳等碳基气体。 本专利技术可通过压强、偏置电压、温度、生长时间和衬底形状参数的组合，实现石墨烯形貌和高度的控制。例如，在密闭腔体中通入氢气并维持腔体真空度在220Pa，偏置电压为100~200V，维持时间约20分钟。当温度升高至550°C时，通入碳基化化合物气体，形成大量等离子体基团，在衬底上裂解出碳原子，生长出垂直于衬底的石墨烯薄片。生长时间为30分钟。 【专利附图】【附图说明】 图1是生长设备示意图。 图2a及图2b是两种衬底材料形状示意图。 图3a及图3b是两种样品架结构示意图。 图4a、4b、4c是采用实施例1的方法生长的不同生长取向的石墨烯的形貌图。 图5是采用本方法生长的定向直立石墨烯的场发射特性。 图6a及图6b是采用本方法实施例2生长的定向平行石墨烯的形貌图。 【具体实施方式】 实施例1 以下结合附图对本专利技术做进一步的描述。 图1是本专利技术方法使用的装置示意图，其中:100等离子发生源，110密封腔体，120正电极板，130为样品架和负电极板，140样品，150进气口，160出气口，170偏压电源。 本实施例采用硅片作为衬底材料(图2a)，采用平面样品架(图3a)。 首先，将干净的硅片平放于样品架上，再密封腔体，采用机械泵将腔体抽至低真空4Pa或以下，通过进气口将流量为lOOsccm的氢气通入腔体中，并维持腔体真空度在220Pa。同时打开等离子发生源，使腔体中的氢气产生等离子体，并在偏置装置的正电极和负电极间施加10V电压，维持时间约20分钟。当温度升高至550°C时，通入1sccm的CH4气体，形成大量CH4等离子体基团，在衬底上裂解出碳原子，进一步生长出垂直于衬底的石墨烯薄片。生长时间为30分钟。生长完毕后，关闭等离子发生源，关闭电压，关闭气体，待硅片温度降至室温后取出。 生长出的石墨烯的微观形貌如图4a所示，每一片石墨烯都垂直于硅片衬底，石墨烯片的长度与宽度约2-5 μ m。如图4c所示，石墨烯片的尖端可以看到有2-4层石墨烯层存在，表明其为少层石墨烯结构。对生长出的定向生长石墨烯样品做场发射特性测试，如图5所示，获得1.8V/ μ m的开启电场，电流密度达到8mA/cm2。 改用半圆面的金属块作为衬底材料(图2b),采用如上同样的工艺条件,在半圆面金属表面同样可以生长出垂直于衬底表面的石墨烯，进一步通过调节表面鞘层电场分布，可以控制石墨烯与衬底表面的角度，如图4b所示。 实施例2 本实施例采用硅片作为衬底材料，采用带凸出方形形状的阴极样品架(图3b)。 首先，将干净的硅片平放于样品架上靠近凸出形状的位置，再密封腔体，采用机械泵将腔体抽至低真空4Pa或以下，通过进气口将流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控定向生长石墨烯的方法，包括如下步骤：（1）将衬底置于带可施加偏置电压装置的反应腔体中，其中放置衬底的样品架同时作为负电极板，封闭所述反应腔体并抽至低真空状态，通入氢气，并保持气压在低压状态；（2）打开等离子发生源，将氢气等离子体化，同时加热衬底至生长温度；（3）在偏置电压装置的正电极板与负电极板间施加偏置电压；（4）通入碳基化合物气体，使碳基化合物等离子体化，并维持一定的压强、偏置电压、温度和生长时间，生长定向石墨烯；（5）关闭等离子发生源，关闭偏置电压，关闭气体，待自然降温至室温后取出衬底。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，邓少芝，许宁生，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44