本发明专利技术属于石墨烯制备技术领域，具体为一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法。本发明专利技术以固态碳为碳源，利用等离子增强化学气相沉积法生长石墨烯，其步骤为：（1）将衬底和活化后的固态碳置入等离子体增强化学气相沉积设备中的不同温区，抽真空；（2）将衬底和活化后的固态碳所在温区分别加热到相应温度，并通入气体；（3）打开等离子体发生器，生长石墨烯；（4）关闭加热电源，继续通入气体，快速冷却到室温，在衬底表面均匀生长出石墨烯。本发明专利技术方法中，固态碳来源广、成本低，生长温度低，对衬底的选择范围广，且能够得到完整、高质量的单层或多层石墨烯。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于石墨烯制备
，具体涉及一种。
技术介绍
石墨烯(graphene)是一种由碳原子紧密堆积而成具有二维蜂窝状晶格结构碳质新材料，厚度仅为一个或少数个原子层。由于其优异的力学、热学、光学、电学等性质，有望在晶体管、透明导电薄膜、传感器、复合功能材料、储能等领域被广泛应用。目前，石墨烯的制备方法很多，最常用的方法有机械剥离法、化学剥离法、氧化还原法、外延生长法和化学气相沉积(CVD)法等。其中，普通CVD法操作简单，所制备的石墨烯质量也较高，但此法只能在金属表面生长，而且石墨烯在转移过程中极易引入杂质和缺陷，同时，此法在生长石墨烯时主要以甲烷和乙醇等作碳源，可用碳源种类较少。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法可实现在无金属催化条件下生长纳米石墨烯、无定形碳、微米级别石墨烯单晶等，此法生长温度低，且无需转移，但仍然依赖气态碳源。最近有研究人员采用PECVD方法，并采用固态碳来生长石墨稀(Zhengzong Sun, Nature 468.7323 (2010):549-552) (Tianquan Lin, Journal of Materials Chemistry 22.7 (2012):2859-2862),但此种方法依旧需要金属衬底作为催化剂。本方法以无定形碳为碳源，利用PECVD法在低温无催化条件下生长出高质量的石墨烯，并且无需转移，目前还没有相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种以无定形碳为碳源，在低温无催化条件下，用。本专利技术所提供的，是采用等离子体增强化学气相沉积法，具体步骤如下:(1)将衬底和活化后的固态碳置入等离子体增强化学气相沉积设备中的不同温区，抽真空； (2)将衬底和活化后的固态碳所在温区分别加热到相应温度，并通入气体； (3)打开等离子体发生器，生长石墨烯；(4)关闭加热电源，继续通入气体，快速冷却到室温，在衬底表面均匀生长出石墨烯。本专利技术步骤(1)中，所述衬底可选自二氧化硅、硅、高定向热解石墨、石墨烯、六方氮化硼、高定向热解石墨、云母、氮化娃、氮化硼、三氧化二招、铀、金、银、铜、镍、铁、钛等。所述固态碳为炭黑、活性炭、木炭、焦炭、糖炭、石墨中的一种，或其中的几种。所述固态碳的活化，可采用低温空气氧化活化、酸或双氧水氧化活化、碱活化、等离子体活化等方法中的一种。本专利技术步骤(2)中，所述加热温度为:衬底所处温区温度为300-1200°C，固态碳所处温区温度200-1000°C，优选地，衬底所处温区温度为400-800°C，固态碳所处温区温度300-600。。。 所述通入气体为氢气和氩气中的一种或两种。所述通入气体的流量为0.l-2000sccm,气体通入时间为l_300min，优选地，气体的流量为l-500sccm，气体通入时间为10_60min。本专利技术步骤(3)中，所述等离子体发生器功率为5-500W，优选地，等离子体发生器功率为10-100W。所述生长石墨稀时，控制通入气体的流量为0.l_2000sccm，生长时间l_1200min，压强0.0lTorr-lOTorr，优选地，气体流量为1-lOsccm,生长时间l_120min，压强0.lTorr-lTorr。本专利技术步骤(4)中，所述通入的气体为氢气、氩气、氮气中的一种，或其中几种。本专利技术制备的石墨烯质量好，可以直接在多种材料表面直接生长出石墨烯，固态碳源来源广、成本低，反应温度低，无需催化剂，无需转移，制备方法操作方便，可用于大规模生产。【附图说明】图1为离子体增强化学气相沉积装置示意图。图2为实施例1在二氧化硅/硅衬底表面600°C下生长石墨烯的原子力显微镜图(标尺:150nm)o图3为实施例1在二氧化硅/硅衬底表面生长石墨烯的拉曼光谱图。图4为实施例1在二氧化硅/硅衬底表面生长石墨烯的X射线光电子能谱图。图5为实施例2在二氧化娃/娃衬底表面650°C下生长石墨稀的原子力显微镜图(标尺:200nm)。图6为实施例3在氧化铝衬底表面650°C下生长石墨烯的原子力显微镜图(标尺:200nm)o图7为实施例4在硅衬底表面650°C下生长石墨烯的原子力显微镜图(标尺:200nm)o图8为实施例5在二氧化娃衬底表面650°C下生长石墨稀的原子力显微镜图(标尺:200nm)o【具体实施方式】以下结合附图对本专利技术进行详细说明: 第一步，将洁净的衬底和活化后的固态碳置于石英管反应腔中，再将石英管放入双温区电炉中，使石英管中的衬底和固态碳分别位于电炉的中心区域，抽真空； 第二步，将双温区电炉分别加热至设定温度，并入气体； 第三步，打开等离子体发生器，生长石墨烯； 第四步，关闭加热电源，继续通气体，快速冷却到室温，在硅片表面均匀生长出石墨烯。实施例1、在一■氧化娃/娃衬底表面制备石墨稀单晶 第一步，将二氧化硅/硅衬底依次用去乙醇、丙酮、离子水超声清洗后吹干；第二步，将第一步中清洗过的衬底置于洁净的石英管的中部，然后将石英管放入双温区电炉内，使石英管中的衬底和活化后的固态碳分别位于双温区电炉各自的中心区域，抽至真空。第三步，加热固态碳所在电炉中心区域温度到400°C，加热衬底所在电炉中心区域温度到600°C，以20sccm流量通入氢气20分钟； 第四步，将氢气流量调到5sCCm，同时打开等离子体发生器，生长60min ; 第五步，关闭加热电源，继续通氢气，快速冷却到室温，在衬底表面生长出石墨烯。产物的原子力显微镜照片如图1所示，可以观察到在二氧化硅/硅表面沉积有少数层的六方石墨烯，且高度为lnm左右。图2是所制备石墨烯单晶的Raman图。图3是所制备石墨稀单晶的XPS图，可见所制备石墨稀确为SP2结构。实施例2、在二氧化硅/硅衬底表面制备石墨烯薄膜制备方法基本同实施例1，不同之处为:衬底温度650°C。产物原子力显微镜照片如图5所示，可以观察到相比于实施例1，生长温度升高后，石墨烯纳米晶粒密度增大，晶粒间相互接触，布满整个衬底。实施例3、氧化铝表面制备石墨烯薄膜 制备方法基本同实施例1，不同之处为:衬底为氧化铝，衬底温度650°C。产物原子力显微镜照片如图6所示，可以观察到产物形貌与实施例2类似，石墨烯纳米晶粒晶粒间相互接触，布满整个衬底。实施例4、硅表面制备石墨烯薄膜 制备方法基本同实施例1，不同之处为:衬底为硅片，衬底温度650°C。产物原子力显微镜照片如图7所示，可以观察到石墨烯纳米晶粒虽有接触，但仍有部分缝隙。实施例5、二氧化硅表面制备石墨烯薄膜 制备方法基本同实施例1，不同之处为:衬底为氧化铝，衬底温度650°C。产物原子力显微镜照片如图8所示，可以观察到产物形貌与实施例2类似，石墨烯纳米晶粒晶粒间相互接触，布满整个衬底。【主权项】1.一种，其特征在于，具体步骤如下:(1)将衬底和活化后的固态碳置入等离子体增强化学气相沉积设备中的不同温区，抽真空； (2)将衬底和活化后的固态碳所在温区分别加热到相应温度，并通入气体； (3)打开等离子体发生器，生长石墨烯； (4)关闭加热电源，继续通入气体，快速冷却到室温，在衬底表面均匀生长出石墨烯。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述衬底材料选自二氧化硅、硅、高定向热解石墨、石墨稀、六方氮化硼、高本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）将衬底和活化后的固态碳置入等离子体增强化学气相沉积设备中的不同温区，抽真空；（2）将衬底和活化后的固态碳所在温区分别加热到相应温度，并通入气体；（3）打开等离子体发生器，生长石墨烯；（4）关闭加热电源，继续通入气体，快速冷却到室温，在衬底表面均匀生长出石墨烯。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：魏大程，李科，夏冬云，李孟林，蔡智，刘冬华，亓国强，曹敏，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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