一种连续制备大单晶石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供了一种连续制备大单晶石墨烯的方法，涉及大单晶石墨烯的制备方法。其主要特征为用铜箔作为催化剂及生长基底，利用两个常压化学气相沉积设备将铜箔退火和石墨烯生长分开进行，通过两端的转动装置，连续获得大尺寸高质量的石墨烯。本发明专利技术提出的方法，解决了CVD方法制备的石墨烯单晶尺寸小、价格昂贵、基底表面处理工序复杂且生长周期长等技术问题，通过非常简单的方法，实现了连续制备大单晶石墨烯样品。

【技术实现步骤摘要】
一种连续制备大单晶石墨烯的方法
本专利技术涉及一种连续制备大单晶石墨烯的方法。
技术介绍
自从2004年Geim等利用机械剥离方法获得石墨烯并揭示其独特的物理性质以来，对石墨烯的研究一直是凝聚态物理及材料领域的热点。这种由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状结构赋予石墨烯优异的光学、电学、力学以及热学性能。特别是其很好的导电性以及超高的载流子迁移率，使得石墨烯在电子器件领域内被公认为的最有可能的替代硅的材料之一。2009年Ruoff等人首次发现，利用化学气相沉积法(CVD)，以铜箔作为基底及催化剂，可以有效地获得高质量的单层石墨烯。这种方法被认为是目前最有可能实现石墨烯产业化生产的途径之一。然而CVD制备的石墨烯存在一个很大的问题，即合成的石墨烯多为多晶结构，而晶界的存在会很大程度地降低石墨烯的迁移率及导电性能，阻碍其在电子器件领域的应用。因此降低晶界密度或者生长大尺寸单晶石墨烯成为石墨烯CVD生长研究的一个热点问题。当前CVD法生长石墨烯所用的铜箔通常为多晶铜箔，铜箔不同的晶体取向、缺陷、粗糙度以及晶界均会对石墨烯的质量有很大的影响。晶界及缺陷处往往会成为优先形核点，在多数取向的铜晶面上，石墨烯畴区的取向为随机分布，因此多晶铜箔的晶界及缺陷密度、晶粒大小会在一定程度上决定石墨烯畴区的大小。值得注意的是在Cu(111)面上，由于其晶格常数与石墨烯的晶格对称性匹配，在合适的生长条件下，石墨烯畴区取向一致，因此畴区融合时将不会产生晶界。即利用单晶Cu(111)可实现大单晶石墨烯的生长。然而，使用单晶铜箔会极大地提高成本，不利于石墨烯的产业化进程。有文献报道，通过对多晶铜做合适的热处理，可以将其转化为大畴区Cu(111)。因此，将多晶铜箔热处理与CVD方法生长石墨烯合理结合，实现连续制备大尺寸单晶石墨烯，对于石墨烯的实际应用及产业化具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提出一种利用转动装置和铜箔单晶化，实现在多晶铜箔上连续生长大单晶石墨烯的方法、装置及由此制备的大单晶石墨烯。一种连续制备大单晶石墨烯的方法，在制备石墨烯的装置中设置转动装置，使表面生长了石墨烯的基底连续卷绕到所述转动装置上，从而实现石墨烯的连续生长。优选的是，所述基底为铜箔；优选的是，所述铜箔为掺杂了金属元素的多晶铜箔；更优选的是，所述铜箔不进行任何表面处理。优选的是，所述制备石墨烯的装置包括设置于退火区的第一化学气相沉积设备和设置于生长区的第二化学气相沉积设备，其中第一化学气相沉积设备用于对所述基底进行退火，第二化学气相沉积设备用于在退火后的基底表面生长石墨烯。优选的是，所述制备石墨烯的装置包括退火区和生长区，所述转动装置包括设置于生长区的1个以上的第二转轮；优选的是，所述第二转轮的个数为1－10个。优选的是，所述制备石墨烯的装置还包括设置于退火区的第一转轮；优选的是，所述第一转轮的个数为1－10个。优选的是，所述方法包括如下步骤：将未退火的基底的其中一个末端固定在退火区的第一转轮上，将未退火的基底缠绕在退火区的第一转轮上，然后将未退火的基底的另一个末端固定在生长区的第二转轮上。优选的是，所述方法包括如下步骤：(一)、将作为基底的铜箔事先卷绕于第一化学气相沉积设备中的第一转轮上，并将铜箔的另一个末端固定在第二化学气相沉积设备中的第二转轮上，通入惰性气体，然后开始升温；(二)、温度升至700～1100℃时，控制驱动装置缓慢转动第二转轮或同时转动第一转轮和第二转轮，使铜箔连续在第一化学气相沉积设备中缓慢通过，进行铜箔退火；(三)同时在第二化学气相沉积设备里通入CH4和H2气体，CH4流量为0.5～50sccm，H2流量为0.2～50sccm，开始生长过程；(四)、生长结束后，冷却至室温，即得到大单晶石墨烯；优选的是，所述方法包括如下步骤：(一)、将未进行任何表面处理的铜箔置于第一和第二化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为300sccm以上，然后开始升温，升温过程持续50～70min；(二)、温度升至700～1100℃时，控制驱动装置缓慢转动第二转轮或同时转动第一转轮和第二转轮，使铜箔连续在第一化学气相沉积设备中缓慢通过，铜箔移动速度为0.4-40cm/min，进行铜箔退火；(三)、同时在第二化学气相沉积设备里通入CH4和H2气体，CH4流量为0.5～50sccm，H2流量为0.2～50sccm，开始生长过程；(四)、生长结束后，冷却至室温，即得到大单晶石墨烯。优选的是，步骤一、二、三和四中升温、退火及生长过程均在常压条件下进行。一种大单晶石墨烯，所述大单晶石墨烯是由上述方法所制备，所述大单晶石墨烯的尺寸为厘米量级(0.1cm-10cm)，石墨烯薄膜的长度为5m以下，宽度为0.5m以下。一种连续制备大单晶石墨烯的装置，在所述装置中设置转动装置，使表面生长了石墨烯的基底连续卷绕到所述转动装置上，从而实现石墨烯的连续生长。优选的是，所述制备大单晶石墨烯的装置包括设置于退火区的第一化学气相沉积设备和设置于生长区的第二化学气相沉积设备，其中第一化学气相沉积设备用于对所述基底进行退火，第二化学气相沉积设备用于在退火后的基底表面生长石墨烯。优选的是，所述制备大单晶石墨烯的装置包括退火区和生长区，所述转动装置包括设置于生长区的1个以上的第二转轮；优选的是，所述第二转轮的个数为1－10个。优选的是，所述制备大单晶石墨烯的装置还包括设置于退火区的第一转轮；优选的是，所述第一转轮的个数为1－10个。本专利技术用铜箔作为催化剂及生长基底，用常压化学气相沉积法，连续获得大尺寸高质量的石墨烯。本专利技术提出的方法，解决了CVD方法制备的石墨烯晶畴尺寸小，电学性质大大降低等技术问题，通过非常简单的方法，实现了连续制备出高质量的大单晶石墨烯。本专利技术的优点在于：1.本专利技术选用铜箔作为生长衬底，不需要对基底进行复杂的表面预处理，大大简化生长工序，缩短生长周期，极大地降低制备成本；2.本专利技术只需将铜箔在化学气相沉积系统里退火，即可制备出大尺寸单晶Cu(111)，不需要其它任何特殊的处理；3.本专利技术提出了一种可连续制备石墨烯的设计方法。4.本专利技术提供了一种连续制备大单晶石墨烯的方法，制备出的石墨烯，缺陷少，质量高，在微纳米电子器件领域具有良好的应用前景；5.本专利技术方法简单、有效，制备周期短，有助于石墨烯的实际应用及工业化生产。附图说明图1为本专利技术利用化学气相沉积法连续制备大单晶石墨烯的装置示意图。图2为实施方式一中试验一制备的大单晶Cu(111)的LEED结果。图3为实施方式一中试验一制备的石墨烯晶畴样品的光学图。图4为实施方式一中试验一制备的单晶石墨烯的拉曼光谱图，表明所制备样品为高质量单层石墨烯。图5为实施方式一中试验一制备的一个四英寸石墨烯薄膜样品的光学图。图6为实施方式二制备的铜箔衬底的电子背散射(EBSD)结果。图7为实施方式二制备的多晶铜箔上石墨烯晶畴样品的光学图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细说明，所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得，如铜箔是从AlfaAesar购买，厚度为25μm或127μm，将铜箔直接放入CVD系统中进行生长。图1为本专利技术利用化学气相沉积法连续制备大单晶石墨烯的装置示意图，所述装置包括退火区和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续制备大单晶石墨烯的方法，其特征在于，在制备石墨烯的装置中设置转动装置，使表面生长了石墨烯的基底连续卷绕到所述转动装置上，从而实现石墨烯的连续生长。

【技术特征摘要】
1.一种连续制备大单晶石墨烯的方法，其特征在于，在制备石墨烯的装置中设置转动装置，使表面生长了石墨烯的基底连续卷绕到所述转动装置上，从而实现石墨烯的连续生长；所述制备石墨烯的装置包括设置于退火区的第一化学气相沉积设备和设置于生长区的第二化学气相沉积设备，其中第一化学气相沉积设备用于对所述基底进行退火，第二化学气相沉积设备用于在退火后的基底表面生长石墨烯；所述转动装置包括设置于生长区的1个以上的第二转轮，所述制备石墨烯的装置还包括设置于退火区的第一转轮；所述方法包括如下步骤：(一)、将作为基底的铜箔事先卷绕于第一化学气相沉积设备中的第一转轮上，并将铜箔的另一个末端固定在第二化学气相沉积设备中的第二转轮上，通入惰性气体，然后开始升温；(二)、温度升至700～1100℃时，控制驱动装置缓慢转动第二转轮或同时转动第一转轮和第二转轮，使铜箔连续在第一化学气相沉积设备中缓慢通过，进行铜箔退火；(三)同时在第二化学气相沉积设备里通入CH4和H2气体，CH4流量为0.5～50sccm，H2流量为0.2～50sccm，开始生长过程；(四)、生长结束后，冷却至室温，即得到大单晶石墨烯。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐小志，张智宏，俞大鹏，王恩哥，刘开辉，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11