石墨烯薄膜及其制法和用途制造技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：（1）制备生长石墨烯薄膜的载体，所述载体是由隔板与金属衬底间隔叠加而形成的多层隔板-金属衬底结构；（2）将所述载体置于反应炉中，在真空或惰性气体与还原气体的混合气下加热；（3）温度至900-1100℃时，向反应炉中通入惰性气体和还原气体并保温退火，然后施加碳源，在金属衬底上形成石墨烯薄膜；（4）将隔板与金属衬底分离；（5）将石墨烯薄膜与金属衬底分离。本发明专利技术还涉及由本发明专利技术方法制备的石墨烯薄膜以及所述石墨烯薄膜作为透明导电电极的用途。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯薄膜及其制法和用途
本专利技术涉及石墨烯薄膜及其制法和用途。
技术介绍
石墨烯是由蜂窝状的单层碳原子组成的二维结构材料，其独特的二维结构和优异的晶体学特性使其在光电子器件、传感器和太阳能等领域具有重要的使用价值。目前石墨烯的制备方法主要有：机械剥离法、氧化还原法、晶体外延生长法、化学气相沉积法（CVD）、有机合成法和碳纳米管剥离法等，其中适用于工业化大规模生产的是化学气相沉积法，该方法是指反应物质在气态条件下发生化学反应，碳原子沉积在加热的基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯薄膜，但是目前该工艺通常只在单层基底上制备石墨烯，从而限制了石墨烯薄膜的产量；而且在后期的石墨烯薄膜转移中，需要对其进行裁剪，浪费大量原材料。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是为了解决现有技术的问题，提供一种石墨烯薄膜的制备方法，包含以下步骤：（1）制备生长石墨烯薄膜的载体，所述载体是由隔板与金属衬底间隔叠加而形成的多层隔板-金属衬底结构；（2）将所述载体置于反应炉中，在真空或惰性气体与还原气体的混合气体环境下加热；（3）温度至900-1100℃时，向反应炉中通入惰性气体和还原气体并保温退火，然后施加碳源，在金属衬底上形成石墨烯薄膜；（4）将隔板与金属衬底分离；（5）将石墨烯薄膜与金属衬底分离。通过以上方法可在金属衬底上形成高质量的石墨烯薄膜。本专利技术还提供了由以上方法制备的石墨烯薄膜，本专利技术中石墨烯薄膜的尺寸与根据需要所制作的固定尺寸的金属衬底相同，避免了裁剪过程，降低原材料的消耗；并且本专利技术采用叠加式载体生长石墨烯薄膜，在生长空间一定的情况下增加了生长面积，能获取更多产品。本专利技术还提供了本专利技术的石墨烯薄膜用作透明导电电极的用途，通过将本专利技术的石墨烯薄膜根据需要转移到不同的透明基底上而得到所需透明导电电极。本专利技术的透明导电电极，由于所含石墨烯薄膜的质量高，而获得高导电率和高透光率，可用于功率器件、太阳能电池及高亮度LED等领域。附图说明图1为说明实施例1中的隔板与金属衬底叠加所形成载体的纵剖示图。图2为说明实施例3中的隔板与涂有碳源的金属衬底叠加所形成载体的纵剖示图。图3为实施例1所得石墨烯薄膜的拉曼光谱。图4为实施例3所得石墨烯薄膜的拉曼光谱。具体实施方式在本专利技术中，如无其他说明，则气体体积均按25℃、大气压条件的数值计。本专利技术的石墨烯薄膜的制备方法包含以下步骤：（1）制备生长石墨烯薄膜的载体，所述载体是由隔板与金属衬底间隔叠加而形成的多层隔板-金属衬底结构；（2）将所述载体置于反应炉中，在真空或惰性气体与还原气体的混合气下加热；（3）温度至900-1100℃时，向反应炉中通入惰性气体和还原气体并保温退火，然后施加碳源，在金属衬底上形成石墨烯薄膜；（4）将隔板与金属衬底分离；（5）将石墨烯薄膜与金属衬底分离。在本专利技术方法的一个优选实施方案中，步骤（1）按如下方式实施：将隔板与金属衬底之间以间隔距离10-100μm，优选10-50μm，更优选10-30μm叠加，叠加方式例如可采用简单堆叠，该堆叠可在支撑框架中完成，该支撑框架的四周设有用于标识载体高度且可调节高度的卡件，卡件的高度通过预先设定的隔板与金属衬底的间距和层数来确定，载体放置在支撑框架的底板上，由底板处开始向上叠加，直至达到卡件位置处。具体为：在支撑框架的底板上先放置第一层隔板，在第一层隔板上放置第一层金属衬底，在第一层金属衬底上放置第二层隔板，第二层隔板上放置第二层金属衬底，如此依次叠加至卡件位置处，即为所需要的层数，从而形成多层的隔板-金属衬底结构，石墨烯薄膜可以很好的生长在金属衬底上。本专利技术的步骤（1）中，隔板的厚度通常为100μm-500μm，优选100-200μm；金属衬底的厚度为25μm-500μm，优选25-150μm，更优选50-100μm。隔板将金属衬底隔开，为石墨烯薄膜的生长提供空间。本专利技术的步骤（1）中，先对金属衬底预处理并干燥，例如用去离子水和丙酮依次超声处理后用恒温干燥箱烘干，采用高纯度（例如纯度99.7%）丙酮清洗。由于石墨烯在金属衬底的上下表面均会沉积，还需对金属衬底的上表面采用常规的前期处理，例如抛光等，在金属衬底的上表面会得到质量优良的石墨烯薄膜，后期使用中对金属衬底上表面的石墨烯薄膜进行转移。金属衬底的尺寸可以根据实际应用中所需的石墨烯薄膜的尺寸而设定，而所述隔板的尺寸等于或稍大于金属衬底的尺寸。所述的隔板-金属衬底结构为1-2000层，优选5-1000层，更优选100-800层，由此能够在一次沉积反应中同时获得多层的石墨烯薄膜，提高产率；在本文中，所述的隔板-金属衬底结构的一层是指由一层隔板上放置一层金属衬底而构成的层结构，在隔板-金属衬底结构的最上层的金属衬底上会单独放置一块隔板用于固定顶层金属衬底，防止在石墨烯制备过程中气体流量过大吹掉金属衬底，并起到保护作用。所述金属衬底为铜箔、镍箔、铂箔或金箔，这些金属衬底的纯度为99.80%或以上，例如99.97%，厚度为25μm-500μm，优选25-150μm，更优选50-100μm；所述隔板为石英板、碳化硅板、刚玉板或石墨板，隔板纯度为99.80%或以上，例如99.99%。在本专利技术方法的一个实施方案中，步骤（2）中，在载体放入后对反应炉内抽真空，例如依次使用真空泵、分子泵抽真空，使反应炉内真空度至少达到10-3Pa，例如为10-5-10-3Pa，然后开始加热，或者抽真空后向炉中通入惰性气体和还原气体的混合气体对载体进行保护，维持炉内常压，然后开始加热。混合气体中，惰性气体和还原气体按照（10-5）：1，优选（10-8）：1的体积比分别通入反应炉内。惰性气体例如选用氩气；还原气体例如选用氢气。在本专利技术方法的一个实施方案中，步骤（3）中在反应炉的温度达到900-1100℃时，通入氢气和氩气，氢气流量为0.15-8立方厘米/分钟/升反应炉体积，优选0.15-4立方厘米/分钟/升反应炉体积，更优选0.15-2立方厘米/分钟/升反应炉体积；氩气流量为1.1-10立方厘米/分钟/升反应炉体积，优选1.4-6立方厘米/分钟/升反应炉体积，更优选1.4-5立方厘米/分钟/升反应炉体积。所用氢气和氩气的纯度均优选为99.999%。在本专利技术方法的一个实施方案中，步骤（3）中保温退火1-60min，优选2-30min后，向反应炉中施加碳源，在此步骤中施加的碳源优选为气态碳源例如气态烃或一氧化碳，气态烃例如甲烷、乙烯或乙炔，或其混合物；施加气态烃的流量为1.1-2.3立方厘米/分钟/升反应炉体积，优选1.4-2立方厘米/分钟/升反应炉体积，更优选1.4-1.6立方厘米/分钟/升反应炉体积；施加气态烃的时间1-60min，优选2-30min，在金属衬底上形成石墨烯薄膜。所用气态碳源的纯度均优选为99.999%。在本专利技术方法的一个优选实施方案中，步骤（3）中向反应炉中施加的碳源也可在步骤（1）中完成，在步骤（1）中所用的碳源为固体碳源或液体碳源，例如葡萄糖、沥青、甘油、葡萄糖溶液、沥青溶液，或其混合物。所用碳源更优选为固态碳源，纯度均优选为99.6%以上，例如纯度99.7%的甘油。固体碳源或液体碳源可预先施加在金属衬底上，例如通过旋涂仪涂布，将固体碳源涂布的厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：（1）制备生长石墨烯薄膜的载体，所述载体是由隔板与金属衬底间隔叠加而形成的多层隔板‑金属衬底结构；（2）将所述载体置于反应炉中，在真空或惰性气体与还原气体的混合气体下加热；（3）温度至900‑1100℃时，向反应炉中通入惰性气体和还原气体并保温退火，然后施加碳源，在金属衬底上形成石墨烯薄膜；（4）将隔板与金属衬底分离；（5）将石墨烯薄膜与金属衬底分离。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)制备生长石墨烯薄膜的载体，所述载体是由隔板与金属衬底间隔叠加而形成的多层隔板-金属衬底结构；(2)将所述载体置于反应炉中，在真空或惰性气体与还原气体的混合气体下加热；(3)温度至900-1100℃时，向反应炉中通入惰性气体和还原气体并保温退火，然后施加碳源，在金属衬底上形成石墨烯薄膜；(4)将隔板与金属衬底分离；(5)将石墨烯薄膜与金属衬底分离。2.根据权利要求1所述的制备方法，所述相邻隔板与金属衬底之间叠加的距离为10-100μm。3.根据权利要求2所述的制备方法，所述相邻隔板与金属衬底之间叠加的距离为10-50μm。4.根据权利要求3所述的制备方法，所述相邻隔板与金属衬底之间叠加的距离为10-30μm。5.根据权利要求1所述的制备方法，所述隔板-金属衬底结构为1-2000层。6.根据权利要求5所述的制备方法，所述隔板-金属衬底结构为5-1000层。7.根据权利要求6所述的制备方法，所述隔板-金属衬底结构为100-800层。8.根据权利要求1所述的制备方法，所述金属衬底为铜箔、镍箔、铂箔或金箔；所述隔板为石英板、碳化硅板、刚玉板或石墨板。9.根据权利要求1-8之一所述的制备方法，所述碳源为气态碳源。10.根据权利要求9所述的制备方法，所述气态碳源为气态烃或一氧化碳。11.根据权利要求10所述的制备方法，所述气态烃为甲烷、乙烯或乙炔，或其混合物。12.根据权利要求1-8之一所述的制备方法，所述碳源可预先在步骤(1)中施加，在所述步骤(1)中施加的碳源为固体碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：金虎，常博文，殷洪康，陈新瑶，王增奎，彭鹏，周振义，
申请(专利权)人：常州二维碳素科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32