生产具有受控层数的石墨烯的方法以及利用该石墨烯制造电子器件的方法技术

本发明专利技术提供了生产石墨烯的方法，该方法包括如下步骤：使金属催化剂与氢气接触(步骤a)；使步骤a中的金属催化剂与选自烃类气体、氮气和非活性气体中的至少一种接触(步骤b)；以及通过使步骤b中的金属催化剂与氢气和烃类气体接触，在金属催化剂上形成石墨烯(步骤c)，由此可根据需要对石墨烯的层数进行各种控制，而与金属催化剂层的初始表面粗糙度无关，并从而缩短形成石墨烯所需的时间，由此降低加工成本。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及生产石墨烯的方法以及利用该石墨烯制造电子器件的方法，其中，无需预处理，在化学气相沉积期间，对在其上形成石墨烯的金属催化剂层的表面进行控制，从而调整石墨烯的层数及其特性。
技术介绍
石墨烯是经配置以便使碳原子以与单原子层一样薄的蜂窝状排列成二维的导电材料。当石墨烯以三维堆叠时则形成石墨，当以一维卷起时则形成碳纳米管，或者当卷成零维时则形成富勒烯球形，并且石墨烯已经成为深入研究的重要课题，以确定其的低维度纳米现象的广泛多样性。如本领域已知的，石墨烯在结构和化学上非常稳定并且是非常好的导体，因为它能够比硅更快100倍地传输电子，并且能够使电流的流量比铜大约100倍。已经通过发现将石墨烯从石墨分离的方法，在实验上对石墨烯的这些先前预测的特性进行了证实。石墨烯排他性地由碳构成，其相对较轻，并因此容易被加工成一维或二维的纳米图案。因此，可以使用石墨烯来调整半导体-导体性质，此外，借助于石墨烯的柔性，可使用石墨烯来制造各种功能器件(例如传感器、存储器等)。尽管石墨烯具有优异的电学性质、机械性质和化学性质，由于尚未开发出大规模的合成方法，因此，对用于其实际应用的技术的研究稍微会受到限制。石墨烯的合成可包括例如机械剥离或化学剥离、化学气相沉积、外延合成、有机合成等。其中，化学气相沉积工艺被认为非常适合于大规模生产具有高质量和大面积的石墨烯。在常规的大规模合成方法中，对石墨进行机械研磨，使其分散在溶液中，并进行自组装从而形成薄膜。这样的机械研磨工艺使得能够以相对低的成本合成石墨烯，但是仍存在问题，因为许多石墨烯薄片是重叠和互连的，因此所得到的电学性质和机械性质不能满足期望。迄今为止，化学气相沉积工艺中的石墨烯的生长取决于用于石墨烯初始生长的金属催化剂的表面形态，即金属催化剂的表面粗糙度。当金属催化剂的表面光滑时，可易于生长单层石墨烯，而当其表面粗糙时，可生长多层石墨烯。在使用具有初始粗糙表面的金属催化剂层的情况中，甚至当对化学气相沉积的工艺条件进行控制时，也难以获得单层石墨烯。此外，石墨烯的层数取决于金属催化剂层的初始表面粗糙度，而非化学气相沉积的条件，使得难以根据需要有效地控制石墨烯的层数。
技术实现思路
技术问题因此，本专利技术意在提供通过化学气相沉积来生产石墨烯的方法，其中，无需预处理，在化学气相沉积期间对用于生长石墨烯的金属催化剂层的表面进行控制，由此可根据需要对石墨烯的层数进行各种调整，而与金属催化剂层的初始表面粗糙度无关，此外，化学气相沉积时间缩短，因此降低了工艺成本。此外，本专利技术意在提供电子器件的制造，该电子器件包含通过调整石墨烯的层数而获得的单层石墨烯或多层石墨烯，从而提高电子器件的效率。技术方案本专利技术的一个方面提供了生产石墨烯的方法，该方法包括：使金属催化剂与氢气接触(步骤a)；使步骤a中的金属催化剂与选自烃类气体、氮气和非活性气体中的至少一种接触(步骤b)；以及通过使步骤b中的金属催化剂与氢气和烃类气体接触，在金属催化剂上形成石墨烯(步骤c)。步骤b可包括使步骤a中的金属催化剂与烃类气体接触。在步骤b和步骤c中，烃类气体可以是选自于由甲烷、乙烷、乙烯、苯和乙醇所组成的组中的至少一种。非活性气体可以是选自于由氩气、氦气和氖气所组成的组中的至少一种。可在500℃-1,500℃的温度下进行步骤b。可使用选自烃类气体和非活性气体中的至少一种，以10sccm-1000sccm的流量进行步骤b。可对步骤b中的接触时间进行调整，从而控制石墨烯的层数。金属催化剂可以是选自于由铜、镍、铁、铂、钯、钌和钴所组成的组中的至少一种。该方法可进一步包括在步骤a之前，在基底上形成金属催化剂。基底可包括选自于由无机材料、金属及其氧化物所组成的组中的至少一种。可通过选自于由溅射、热蒸镀和电子束蒸镀所组成的组中的任一种工艺在基底上形成金属催化剂。可在基底上形成厚度为0.1μm-100μm的金属催化剂。可在500℃-1,500℃的温度下进行步骤c。可通过选自于由如下所组成的组中的任一种工艺进行步骤c：低压化学气相沉积、大气压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、焦耳热化学气相沉积和微波化学气相沉积。本专利技术的另一方面提供了制造电子器件的方法，该方法包括：使金属催化剂与氢气接触(步骤1)；使步骤1中的金属催化剂与选自烃类气体、氮气和非活性气体中的至少一种接触(步骤2)；通过使步骤2中的金属催化剂与氢气和烃类气体接触，在金属催化剂上形成石墨烯(步骤3)；通过从步骤3获得的产物中移除金属催化剂，获得石墨烯(步骤4)；以及形成包含步骤4的石墨烯的电子器件(步骤5)。电子器件可以是选自于由如下所组成的组中的任一种：电极、触摸面板、电致发光显示器、背光元件、射频识别(RFID)标签、太阳能电池组件、电子纸、薄膜晶体管(TFT)以及TFT阵列。有益效果在通过本专利技术所述的化学气相沉积生产石墨烯的方法中，无需预处理，在化学气相沉积期间，对用于生长石墨烯的金属催化剂的表面进行控制，由此可根据需要对石墨烯的层数进行各种调整，而与金属催化剂层的初始表面粗糙度无关，此外，可缩短化学气相沉积时间，从而降低工艺成本。另外，根据本专利技术，可制造包含单层石墨烯或多层石墨烯(通过调整石墨烯的层数而获得)的电子器件，从而提高电子器件的效率。附图说明图1是序贯地示出本专利技术所述的石墨烯生产工艺的流程图；图2是示出本专利技术所述的石墨烯生产工艺的示意图；图3示出了对比例5和实施例1中生产的石墨烯的扫描电子显微镜(SEM)图像和拉曼分析结果；图4示出了对于实施例1的石墨烯的拉曼分析结果而言，铜表面的EBSD结果。图5示出了实施例2-实施例4的铜催化剂层的表面的原子力显微镜(AFM)图像(a)及其石墨烯的SEM图像(b)。图6示出了未在铜催化剂层的表面上进行预刻面(pre-faceting)，通过化学气相沉积形成的石墨烯的SEM图像(a)，以及通过预刻面以及随后的化学气相沉积形成的石墨烯的SEM图像(b)；图7示出了当通过化学气相沉积形成石墨烯时，石墨烯面积增加曲线；图8示出了当通过在铜催化剂层的表面上进行预刻面以及随后进行化学气相沉积形成石墨烯时，石墨烯面积增加曲线；图9示出了实施例1的面积为100×100μm2的石墨烯的拉曼分析结果；图10示出了在制备例1和制备例2中的通过铜的甲烷退火对铜催化剂层的表面进行刻面后的表面AFM图像；图11示出了取决于预刻面时间的铜催化剂层的表面的AFM图像；以及图12示出了取决于铜催化剂层的表面的预刻面时间的刻面宽度的变化和每单位面积的刻面数量的变化。具体实施方式本专利技术可以体现为许多不同的形式，并且不应被解释为仅限于本文所阐述的实施方式，而是应当被解释为覆盖落入本专利技术的思想和技术范围内的修改、等同物或替代物。在本专利技术的描述中，当并入本文中的相关的已知技术的详细描述可能使本专利技术的要点不清楚时，则将其省略。本文所使用的术语仅意在解释具体的实施方式，而不是限制本专利技术。除非另有说明，单数表述包括复数表述。在本申请中，术语“包括/包含/含有”或“具有”用于指定说明书中描述的特征、数字、步骤、操作、要素、部分或其组合的存在，并且应当理解为不排除一个或多个不同的特征、数字、步骤、操作、要素、部件或其组合的存在或另外的可能性。图1和图2分别是示出本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产石墨烯的方法，所述方法包括：步骤a，使金属催化剂与氢气接触；步骤b，使步骤a中的所述金属催化剂与选自烃类气体、氮气和非活性气体中的至少一种接触；以及步骤c，通过使步骤b中的所述金属催化剂与氢气和烃类气体接触，在所述金属催化剂上形成石墨烯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.07 KR 10-2014-00845051.一种生产石墨烯的方法，所述方法包括：步骤a，使金属催化剂与氢气接触；步骤b，使步骤a中的所述金属催化剂与选自烃类气体、氮气和非活性气体中的至少一种接触；以及步骤c，通过使步骤b中的所述金属催化剂与氢气和烃类气体接触，在所述金属催化剂上形成石墨烯。2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤b包括：使步骤a中的所述金属催化剂与所述烃类气体接触。3.如权利要求2所述的方法，其中，步骤c包括：通过使步骤b中的所述金属催化剂与所述氢气接触，在所述金属催化剂上形成石墨烯。4.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤b和步骤c中，所述烃类气体是选自于由甲烷、乙烷、乙烯、苯和乙醇所组成的组中的至少一种。5.如权利要求1所述的方法，其中，所述非活性气体是选自于由氩气、氦气和氖气所组成的组中的至少一种。6.如权利要求1所述的方法，其中，在500℃-1,500℃的温度下进行步骤b。7.如权利要求6所述的方法，其中，使用选自烃类气体和非活性气体中的至少一种，以10sccm-1000sccm的流量进行步骤b。8.如权利要求1所述的方法，其中，对步骤b中的接触时间进行调整，从而控制石墨烯的层数。9.如权利要求1所述的方法，其中，所述金属催化剂包括选自于由铜、镍、铁、铂、钯、钌和钴所组成的组中的至少一种。10.如权利要求1所述的方法，所述方...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵吉元，李晓粲，李恩镐，
申请(专利权)人：纳米基盘柔软电子素子研究团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR