一种PVD法低温制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供一种PVD法低温制备石墨烯的方法，利用真空磁控溅射镀膜技术，在基片上沉积原子粒金属膜，再利用固体高纯石墨做靶材在金属膜表面磁控溅射嵌入碳原子，经过真空热处理后金属膜表面结晶析出碳形成石墨烯。当其应用于电池领域时，能显著改善锂电池倍率性能，提高循环寿命。本发明专利技术较目前的其它石墨烯制备方式，还具有成本低、石墨烯层连续性好、操作简单、可商业化生产等特点。

Method for preparing graphene at low temperature by PVD method

The present invention provides a method for preparing graphene by low temperature PVD, using vacuum magnetron sputtering technique on the substrate atom deposition of metal film, using solid pure graphite as a target in the magnetron sputtering metal surface membrane embedded carbon atoms, after surface crystallization of metal film precipitated carbon graphene formation after vacuum heat treatment. When used in the battery field, it can significantly improve the lithium battery performance and improve the cycle life. Compared with other preparation methods of graphene, the present invention has the advantages of low cost, good continuity of graphene layer, simple operation, and commercial production.

【技术实现步骤摘要】
一种PVD法低温制备石墨烯的方法
本专利技术涉及石墨烯材料制造行业，具体涉及一种PVD法低温制备石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构稳定，是一种技术含量高、应用潜力广泛的碳材料，在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、新一代显示器等传统领域和新兴领域都具有广泛用途。目前石墨烯主要的制造方法有四种：1.微机械剥离法；2.外延生长法；3.氧化石墨还原法；4.气象沉积法。1.微机械剥离法微机械剥离法是：利用氧离子等对1mm厚的高定向热解石墨(HOPG)进行表面离子刻蚀；石墨块表面刻蚀出宽度20μm～2mm、深度在5μm的微槽后将其用光刻胶粘到玻璃衬底上；用玻璃胶带进行反复撕揭；将多余的HOPG去除；将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声；将单晶硅片放入丙酮溶液中，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”，从而获得石墨烯片。微机械剥离法方法简单，但获得的石墨烯的尺寸不易控制，很难获得足够长度的石墨烯，不能满足工业化需求。2.外延生长法外延生长法是在高温和超高真空中，单晶碳化硅(SiC)中的硅原子蒸发，碳原子经过结构重排形成石墨烯片。外延生长法所获得的石墨烯面积较大，且质量较高，缺点是单晶SiC价格昂贵，石墨烯的制作成本高，生长条件苛刻，生成的石墨烯不易转移。3.氧化石墨还原法氧化石墨还原法是目前成本最低、最容易实现规模化生产的石墨烯制备方法。氧化石墨还原法是天然石墨与强酸和强氧化物反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团得到石墨烯。氧化石墨还原法制作石墨烯相对高效、环保、且成本较低，够大规模工业化生产；缺点是氧化还原的过程中，石墨烯的电子结构以及晶体的完整性易受到强氧化剂的破坏，影响石墨烯的分子特性。4.气相沉积法化学气相沉积原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应，生成一种新的材料沉积在衬底表面。制备石墨烯时，是将含碳气体有机物甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)等在镍或铜等金属基体上高温分解，脱出氢原子，碳原子沉积吸附在金属表面连续生长成石墨烯。气相沉积法制作石墨烯相对简单易行，石墨烯较为完整，质量较好，易转移到其他基体上使用，最大的缺点就是成本很高，难达到工业化的要求。四种石墨烯制取方法的对比如下表所示。制取尺寸质量制产业化机械中小分子结构完整低不宜量外延大尺薄片不易与SiC高适合小氧化大尺分子结构易被低可大规气相大尺结构完整，质量高可大规石墨烯的制备及应用在世界范围还处于产业化探索阶段，从上表可以得出CVD化学气相沉积法制备石墨烯，既可以获取高品质石墨烯且可大规模生产。其原理是：以甲烷(CH4)或乙炔(C2H2)作为碳源气体，在600-1100℃温度下分解出碳原子；起碳分解催化作用的金属基底(Ni、Tu等，)加热至零界熔融状态；分解出的碳原子熔入金属晶格内；以10℃/S梯度降温至常温，此时基底金属再结晶，金属四面体和八面体的晶格空隙，很难融入原子半径较大的碳原子，不能融入的碳原子在金属再结晶过程中被挤出到金属基底表面；金属表面析出的碳原子成为石墨烯晶粒的生长核心，碳原子不断地形成、扩散，石墨烯晶粒不断地长大，最后连接成膜形成石墨烯。化学气相沉积法在铜箔表面生长石墨烯可控性好，可以获得大面积、高质量的石墨烯，而且化学气相沉积法在常压下也能生长石墨烯。虽然CVD制备石墨烯被认为是石墨烯获得广泛应用的最有前景的方法，但气体高温催化反应获取碳源控制难、石墨烯生成温度高(700℃-1200℃)，使得CVD制取石墨烯品质不稳定及制造成本高。PVD(PhysicalVaporDeposition)，指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。它的作用是可以使某些有特殊性能(强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等)的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能。PVD基本方法：真空蒸发、溅射、离子镀(空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种PVD法低温制取石墨烯的装置及工艺，即利真空磁控溅射镀膜技术，在基片上沉积原子粒金属膜，利用固体高纯石墨做靶材再磁控溅射嵌入碳原子，经过真空热处理后金属膜结晶后析出碳形成石墨烯。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种PVD法低温制备石墨烯的方法，利用真空磁控溅射镀膜技术，在基片上沉积原子粒金属膜，再利用固体高纯石墨做靶材在金属膜表面磁控溅射嵌入碳原子，经过真空热处理后金属膜表面结晶析出碳形成石墨烯。优选地，上述方法具体包括有以下步骤：a.将待镀膜基片放入基片架并送入真空腔室，抽真空至本底真空度2x10-2Pa～8x10-4Pa；b.加热基片使其表面温度达到100～350℃；c.降温冷却使基片温度达到50～100℃；d.待真空腔室本底真空度稳定在2x10-2Pa～8x10-4Pa、加热温度稳定在100～350℃、制冷温度稳定在50～100℃后，往真空腔室内通入120～500Sccm高纯氩气；e.调整氩气流量，使真空腔室真达到工艺真空度10Pa～6x10-1Pa；f.开启直流阴极铜靶，在基片表面溅镀200～500nm厚度铜膜；g.开启直流或射频阴极石墨靶,在已镀铜膜的基片表面沉积5～20nm厚度碳膜；h.将镀膜完成的基片进行真空热处理；i.将真空热处理后的基片进行冷却，膜层表面析出多层石墨烯。优选地，所述基片为实验使用0.4mmITO白玻璃。优选地，步骤d中所述高纯氩气的纯度为99.995％。优选地，步骤h中所述真空热处理的加热时间为2～8分钟。优选地，步骤i中，冷却速率为10～30℃/min。优选地，所述原子粒金属膜为Cu原子粒金属膜。采用上述技术后，本专利技术有益效果为：利用真空磁控溅射镀膜技术，在基片上沉积原子粒金属膜，再利用固体高纯石墨做靶材在金属膜表面磁控溅射嵌入碳原子，经过真空热处理后金属膜表面不断析出的碳原子以首先出现在膜层表面的碳原子为晶核不断结晶扩散在基片表面形成连续的多层石墨烯，当其应用于电池领域时，能显著改善锂电池倍率性能，提高循环寿命。本专利技术较目前的其它石墨烯制备方式，还具有成本低、石墨烯层连续性好、操作简单、可商业化生产等特点。说明书附图图1为本专利技术实施例1的工艺流程示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施方案，对本专利技术实施方案中的技术进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方案仅仅是本专利技术一部分方案，而不是全部的实施方案。基于本专利技术中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本专利技术保护的范围。实施例1，参考图1所示，在真空容器4内设有传输辊1，传输辊1上安装有基片架3，传输辊1上方按其传输方向依次设有铜膜溅镀区10，石墨溅镀区11，真空热处理区9及冷却区8，铜膜溅镀区10设有高纯度铜靶材12，石墨溅镀区11设有高纯度石墨靶材13，铜膜溅镀区10及石墨溅镀区11均设有磁控溅射阴极，将基片2放置于基片架3上，通过在基片2上沉积铜原子粒膜，一般来讲，也可以沉积其它金属膜，这里的金属膜以铜膜为佳，再利用固体高纯石墨做靶材在铜膜表面磁控溅射嵌入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PVD法低温制备石墨烯的方法，其特征在于利用真空磁控溅射镀膜技术，在基片上沉积原子粒金属膜，再利用固体高纯石墨做靶材在金属膜表面磁控溅射嵌入碳原子，经过真空热处理后金属膜表面结晶析出碳形成石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种PVD法低温制备石墨烯的方法，其特征在于利用真空磁控溅射镀膜技术，在基片上沉积原子粒金属膜，再利用固体高纯石墨做靶材在金属膜表面磁控溅射嵌入碳原子，经过真空热处理后金属膜表面结晶析出碳形成石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种PVD法低温制备石墨烯的方法，其特征在于包括有以下步骤：a.将待镀膜基片放入基片架并送入真空腔室，抽真空至本底真空度2x10-2Pa～8x10-4Pa；b.加热基片使其表面温度达到100～350℃；c.降温冷却使基片温度达到50～100℃；d.待真空腔室本底真空度稳定在2x10-2Pa～8x10-4Pa、加热温度稳定在100～350℃、制冷温度稳定在50～100℃后，往真空腔室内通入120～500Sccm高纯氩气；e.调整氩气流量，使真空腔室真达到工艺真空度10Pa～6x10-1Pa；f.开启直流阴极铜靶，在基片表...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵斌，
申请(专利权)人：深圳市烯谷能源控股有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44