制备超低褶皱密度石墨烯材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备超低褶皱密度石墨烯材料的方法，其是在绝缘衬底上通过化学气相沉积进行石墨烯材料的生长，以氢气作为载气，通入气态碳源和氮气，通过梯度法控制生长条件制备超低褶皱密度石墨烯材料。所述梯度法是将石墨烯生长过程分为低温阶段、升温阶段和高温阶段，分别控制三个阶段的温度、气体流量和压力等条件，使石墨烯在绝缘衬底上均匀分布，褶皱密度可降低至1×10

Preparation of Graphene Materials with Ultra-Low Fold Density

The invention discloses a method for preparing ultra-low fold density graphene material, which is based on the growth of graphene material on insulating substrate by chemical vapor deposition, hydrogen as carrier gas, gas carbon source and nitrogen gas, and gradient method to control growth conditions to prepare ultra-low fold density graphene material. The gradient method divides the growth process of graphene into three stages: low temperature stage, rising temperature stage and high temperature stage. The temperature, gas flow rate and pressure of the three stages are controlled respectively, so that graphene is evenly distributed on the insulating substrate and the fold density can be reduced to 1 x 10.

【技术实现步骤摘要】
制备超低褶皱密度石墨烯材料的方法
本专利技术涉及石墨烯材料制备
，具体涉及一种制备超低褶皱密度石墨烯材料的方法。
技术介绍
石墨烯是由碳原子构成的二维六边形结构，具有超高的电子迁移率和优良的导热性，可广泛应用于纳米电子器件、超高速计算机芯片、高效率能量储存、固态气敏传感器、场发射材料和微电子集成等多种领域。在绝缘衬底上化学气相沉积(CVD)法生长的石墨烯材料具有无需衬底转移，成本低廉，易与Si基半导体工艺相结合的优点。在CVD法生长过程中，C原子在绝缘衬底表面自由成核，形成小晶粒并向周围扩展生长，在生长过程中，晶粒边缘处C原子处于不饱和价键，相邻的石墨烯晶粒接触产生晶界，在晶界处C原子向纵向生长，隆起一定的高度，最终形成石墨烯表面的褶皱。褶皱导致散射增多，材料电学特性降低。在器件加工过程中，部分褶皱倒伏，导致部分区域石墨烯层数不均匀，对器件特性产生不利影响。目前已有降低石墨烯表面褶皱密度的相关研究，但只能将褶皱密度降至0.1个/μm2左右，效果仍不太理想。
技术实现思路
针对现有技术降低石墨烯表面褶皱密度效果不理想等问题，本专利技术提供一种制备超低褶皱密度石墨烯材料的方法。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种制备超低褶皱密度石墨烯材料的方法，其是在绝缘衬底上通过化学气相沉积进行石墨烯材料的生长，以氢气作为载气，通入气态碳源和氮气，通过梯度法控制生长条件制备超低褶皱密度石墨烯材料；所述梯度法具体为：低温阶段：生长温度为1200-1400℃，气态碳源流量为0.001-0.02L/min，氢气流量为1-20L/min，C/H比0.01％-0.1％，氮气流量为0.5-1L/min，气体压力为500-1000mbar，持续时间1-20min；升温阶段：在5-15min内将温度匀速升高30-200℃，气态碳源流量保持不变，降低氢气流量，C/H比匀速升至0.1％-1％，氮气流量匀速降至0.05-0.5L/min，气体压力匀速降至100-500mbar；高温阶段：与低温阶段温差为30-200℃，气态碳源流量保持不变，C/H比0.1％-1％，氮气流量为0.05-0.5L/min，气体压力为100-500mbar，持续时间10-60min；上述C/H比均为气态碳源和氢气的流量之比。优选地，所述绝缘衬底为SiC衬底、蓝宝石衬底、金刚石衬底或类金刚石衬底。优选地，所述绝缘衬底经清洗干燥后放入化学气相沉积设备中，抽真空至≤10-4mbar。优选地，所述绝缘衬底的清洗干燥方法为：绝缘衬底分别用浓硫酸、王水和氢氟酸溶液加热清洗，去离子水冲洗，氮气枪吹干后放在防尘装置内，在烘箱中干燥。优选地，将真空环境升温至500-1100℃，以去除衬底表面吸附气体。优选地，所述气态碳源为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔或丙烷。优选地，高温区生长过程结束后，停止氢气、气态碳源和氮气，继续通入氩气，保持压力不变，在氩气环境下降至室温。本专利技术中石墨烯的生长过程在绝缘衬底上进行，可得到1-3层石墨烯材料，无需对生长得到的材料进行转移，可直接应用于电子器件。通过梯度控制各步的条件，本专利技术实现了精确控制石墨烯的成核和生长速度，使其在绝缘衬底上均匀分布，褶皱密度可降低至1×10-5个/μm2以下。具体实施方式为了更好的说明本专利技术的技术方案，下面通过实施例做进一步的举例说明。实施例1选择SiC衬底，分别用浓硫酸、王水和氢氟酸溶液加热清洗，去离子水冲洗，氮气枪吹干后放在防尘装置内，在烘箱中干燥。将清洗干燥后的SiC衬底放入CVD设备中，抽真空至≤10-4mbar，开启微波电源，真空环境升温至1000℃，去除衬底表面吸附气体。反应炉中通入氢气作为载气，通入丙烷作为气态碳源，并通入氮气，丙烷流量为0.004L/min，氢气流量为10L/min，C/H比为0.04％，氮气流量为0.6L/min，低温阶段生长温度为1400℃，生长压力为500mbar，生长时间为10min；升温阶段，生长压力从500mbar下降到300mbar，丙烷流量保持0.004L/min不变，氢气流量从10L/min下降到2L/min，C/H比逐步升为0.2％，氮气流量从0.6L/min下降到0.3L/min，升温时间为10min；高温阶段生长温度为1450℃，生长压力为300mbar，丙烷流量为0.004L/min，氢气流量为2L/min，C/H比为0.2％，氮气流量为0.3L/min，生长时间为15min；高温区生长结束后，关闭微波电源，停止氢气、气态碳源和氮气，通入氩气，压力保持300mbar不变，在氩气环境下降至室温，制备的石墨烯材料为1层，褶皱密度小于1×10-5个/μm2。实施例2-3实施例2-3的各控制条件如下表所示，未述部分均与实施例1相同。实施例2和实施例3分别制得3层和2层的石墨烯材料，褶皱密度均小于1×10-5个/μm2。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例而已，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备超低褶皱密度石墨烯材料的方法，其特征在于：在绝缘衬底上通过化学气相沉积进行石墨烯材料的生长，以氢气作为载气，通入气态碳源和氮气，通过梯度法控制生长条件制备超低褶皱密度石墨烯材料；所述梯度法具体为：低温阶段：生长温度为1200‑1400℃，气态碳源流量为0.001‑0.02L/min，氢气流量为1‑20L/min，C/H比0.01％‑0.1％，氮气流量为0.5‑1L/min，气体压力为500‑1000mbar，持续时间1‑20min；升温阶段：在5‑15min内将温度匀速升高30‑200℃，气态碳源流量保持不变，降低氢气流量，C/H比匀速升至0.1％‑1％，氮气流量匀速降至0.05‑0.5L/min，气体压力匀速降至100‑500mbar；高温阶段：与低温阶段温差为30‑200℃，气态碳源流量保持不变，C/H比0.1％‑1％，氮气流量为0.05‑0.5L/min，气体压力为100‑500mbar，持续时间10‑60min；上述C/H比均为气态碳源和氢气的流量之比。

【技术特征摘要】
1.一种制备超低褶皱密度石墨烯材料的方法，其特征在于：在绝缘衬底上通过化学气相沉积进行石墨烯材料的生长，以氢气作为载气，通入气态碳源和氮气，通过梯度法控制生长条件制备超低褶皱密度石墨烯材料；所述梯度法具体为：低温阶段：生长温度为1200-1400℃，气态碳源流量为0.001-0.02L/min，氢气流量为1-20L/min，C/H比0.01％-0.1％，氮气流量为0.5-1L/min，气体压力为500-1000mbar，持续时间1-20min；升温阶段：在5-15min内将温度匀速升高30-200℃，气态碳源流量保持不变，降低氢气流量，C/H比匀速升至0.1％-1％，氮气流量匀速降至0.05-0.5L/min，气体压力匀速降至100-500mbar；高温阶段：与低温阶段温差为30-200℃，气态碳源流量保持不变，C/H比0.1％-1％，氮气流量为0.05-0.5L/min，气体压力为100-500mbar，持续时间10-60min；上述C/H比均为气态碳源和氢气的流量之比。2.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆彬，蔚翠，何泽召，高学栋，郭建超，周闯杰，冯志红，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13