化学气相沉积法制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯的制备方法。该方法是采用化学气相沉积法制备石墨烯，包括如下步骤：将带有催化剂的衬底放入无氧的反应器中，使衬底的温度达到５００～１２００℃，然后向所述反应器中通入含碳物质，得到石墨烯；其中，所述催化剂为金属或金属化合物。本发明专利技术利用化学气相沉积法制备石墨烯的方法，操作方便，简易可行，可用于大规模生产；制备的石墨烯具有可以图案化的优点，而且具有较少的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通过化学气相沉积法大规模制备石墨烯材料的方法。
技术介绍
石墨烯是碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度 仅为头发的二十万分之一，是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、 一维纳米碳 管、三维石墨)的基本单元。按照其层数可以分为一层或多层石墨烯。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，而真正能够独立存在的二维石墨烯由2004年英国曼彻 斯特大学的Novoselov等利用胶带剥离高定向石墨的方法获得。自从石墨烯发现以 来，由于其优良的性能和广阔的应用前景，石墨烯成为凝聚态物理和材料科学的新 星，引起了人们广泛的关注。目前石墨烯的研究还主要集中在基础研究方面，其中 重要的一个原因是面临着石墨烯的制备和图案化等问题。目前制备石墨烯的方法主 要有石墨剥裂(Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666)、外延生长 (Evans, J. W., Th iel, P. A.; Bartelt, M. C. Sur. Sci. Rep. 2006, 61， 1.)和石墨氧化法 (McAllister, M. J., Li, J.; Adamson， D. H.; Schniepp, H. C.; Abdala, A. A.; Liu, J.; Herrera-Alonso, M.; Milius, D. L.; Car, R.; Prud，homme, R. K.; Aksay, I. A. Chem. Mater. 2007, 19,4396)，但是如何大规模，可控的制备石墨烯仍是目前面临的一大难 题。化学气相沉积法是半导体工业中应用最为常用的沉积技术。其原理为将一种或 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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备石墨烯的方法。本专利技术所提供的制备石墨烯的方法，是采用化学气相沉积法制备石墨烯，包括 以下步骤将带有催化剂的衬底放入无氧的反应器中，使衬底的温度达到500 1200 °C，然后向所述反应器中通入含碳物质，得到石墨烯；其中，所述催化剂为金属或金属化合物。带有催化剂的衬底可按照现有的方法制备，如可将金属粉体或金属化合物粉体放在衬底(石英舟)上得到带有催化剂的衬底；也可将金属或金属化合物通过下述 六种方法中的任一种方法沉积在衬底上得到带有催化剂的衬底化学气相沉积法、 物理气相沉积法、真空热蒸镀法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法和印 刷法。所述方法还包括对石墨烯进行纯化的步骤，以除去所述催化剂。 其中，所述金属可为金、银、铜、锌、铁、钴和镍中的一种或其任意组合；所 述金属化合物可为硫化锌、氧化锌、硝酸铁、氯化铁、氯化铜中的一种或其任意组合。所述含碳物质具体可为一氧化碳、甲垸、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷或酞 菁中的一种或其任意组合。当制备过程中采用硫化锌、氧化锌、铁、钴、镍等能与酸发生反应的催化剂时， 通过与酸溶液(如盐酸、硫酸、硝酸等)反应除去催化剂；当制备过程中采用金、 银、铜等难与酸发生反应的催化剂时，通过在低压(0.001 750托)高温(600 150(TC)下蒸发除去催化剂。本专利技术利用，操作方便，简易可行，可用于 大规模生产；制备的石墨烯具有可以图案化的优点，而且与常用的石墨氧化法制备 的石墨烯相比具有较少的缺陷。 附图说明图1为化学气相沉积装置示意图，其中，l为管式炉，2为石英管，3为衬底，4为乙醇，5为三通阀；图2为实施例1中表面沉积硫化锌的硅衬底的扫描电子显微镜照片；图3为实施例1中通过化学气相沉积法在硫化锌表面沉积石墨烯的扫描电子显微镜照片；图4为实施例1中除去硫化锌后的石墨烯的透射电子显微镜照片； 图5为实施例2制备的石墨烯的透射电子显微镜照片；图6为实施例3制备的石墨烯的照片，左图为未除去银的照片，右图为除去银 后的照片；图7为实施例3制备的未除去银催化剂的石墨烯的扫描电子显微镜照片；图8为实施例3制备的除去银催化剂的石墨烯的扫描电子显微镜照片；图9为实施例4中通过图案化银催化剂制备的石墨烯在除去银催化剂之前的扫描电子显微镜照片。 具体实施例方式以下结合附图对本专利技术进行详细说明第一步、催化剂的制备将衬底依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干，然后通过化学气相 沉积、物理气相沉积、真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或印刷 等沉积技术在衬底表面沉积一层金属或金属化合物材料(如硫化锌、氧化锌、金、 银、铜、铁、钴、镍等)作为催化剂；第二步、气相沉积装置如图l所示，将沉积有催化剂的衬底置于洁净的石英管 的中部，将石英管放入电炉中，使石英管的中部位于电炉的中心区域，在石英管中通入10 2000sccm非氧化性气体(如氢气、氩气等)1 1000分钟后，开始加热； 第三步、当电炉中心区域的温度达到500 1200。C时，在非氧化性气体中通入含碳物质(如一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷、酞菁等)作为碳源，反应开始进行，碳在催化剂表面沉积生成石墨烯；第四步、反应进行0.5 100分钟后，停止通入含碳化合物，同时关闭电炉，继续通入非氧化性气体致冷到室温； 第五步、进行纯化处理；当采用硫化锌、氧化锌、铁、钴、镍等能与酸发生反应的催化剂时，纯化方法 是将衬底放入酸溶液(如盐酸、硫酸、硝酸等)浸泡0.5 1000分钟除去催化剂， 然后用去离子水洗净后烘干；当采用金、银、铜等难与酸发生反应的催化剂时，纯 化方法是将放置有衬底的石英管置于管式炉中，在低压(0.001 750托)、高温 (600 1500°C)下处理1 1000分钟除去催化剂。 实施例1、制备石墨烯第一步，将硅衬底依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干，然后通 过物理气相沉积技术(即将放置有硫化锌粉末的石英管放置于管式电炉中，加热至 950摄氏度，通入100sccm的氩气作为载气，硫化锌就会沉积在低温区放置的硅片 上)在所述硅衬底表面沉积一层厚度为100纳米的硫化锌作为催化剂(扫描电子显 微镜照片如图2);第二步，将所述沉积有硫化锌的硅衬底置于洁净的石英管的中部，将石英管放 入电炉中，使石英管的中部位于电炉的中心区域，然后在石英管中通入100 sccra氢气和IOO sccm氩气的混合气体作为载气，通气60分钟后，开始加热；第三步，当电炉中心区域的温度达到85(TC时，在所述载气中通入乙醇作为碳 源，反应开始进行；第四步，反应进行20分钟后，停止通入乙醇，同时关闭电炉，继续通入100 sccm 氢气和IOO sccm氩气的混合气体致温度降到室温，产物的扫描电子显微镜照片如 图3所示，从图中可以观察到硫化锌表面沉积有一层薄膜状物质，该薄膜状物质即 为石墨烯；第五步，将沉积有石墨烯的所述衬底放入0. 1摩尔每升的盐酸溶液中浸泡60 分钟除去硫化锌，然后用去离子水洗净后烘干。产物的透射电子显微镜照片如图4 所示，从图中可以观察到产物为二维薄膜状结构，说明产物为石墨烯。实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯的制备方法，其特征在于：采用化学气相沉积法制备石墨烯，包括如下步骤：将带有催化剂的衬底放入无氧的反应器中，使衬底的温度达到５００～１２００℃，向所述反应器中通入含碳物质，得到石墨烯；其中，所述催化剂为金属或金属化合物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云圻，魏大程，狄重安，王钰，张洪亮，黄丽平，于贵，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]