一种形成石墨烯纳米带的方法，包括：提供基板，所述基板包括铜箔或泡沫镍中的至少一者，并将所述基板置于处理腔室中的减压环境中。所述方法还包括提供甲烷气体和1,2‑二氯苯(1,2‑DCB)气体，使甲烷气体和1,2‑DCB流入所述处理腔室中，并在所述处理腔室中建立1,2‑DCB气体与甲烷气体的分压比。所述分压比在0和3之间。所述方法进一步包括：生成等离子体，之后，将所述基板的至少一部分暴露于甲烷气体、1,2‑DCB气体和等离子体，和将耦合到所述基板的至少一部分的石墨烯纳米带进行生长。
【技术实现步骤摘要】
通过等离子体增强化学气相沉积法生长石墨烯纳米带的方法和系统相关申请的交叉引用本申请要求于2017年9月26日提交的名称为“通过等离子体增强化学气相沉积法的石墨烯纳米带的高产量单步低温催化生长”的美国临时专利申请第62/563,246号的优先权，为了所有目的，通过引用将上述专利申请的公开内容结合在此。关于在联邦资助的研究或开发下作出的专利技术权利的声明不适用
技术介绍
石墨烯是形成二维蜂窝状晶格结构的单层碳原子，被认为是科学研究和技术应用的神奇材料。其独特的电子、热和机械性能以及与光刻技术的兼容性对于许多纳米电子、自旋电子和机械应用是理想的；对于大面积的光电装置，如触摸屏显示器、用于光伏电池的电极、和发光二极管，石墨烯也是很有前景的。已通过从石墨剥离来生产石墨烯。然而，以这种方式生产的石墨烯由于其固有的小尺寸和工艺的不可扩展性而不适用于许多应用。基于碳前驱体(例如，甲烷)在过渡金属(例如，Cu、Ni、Pt、Co)上的催化脱氢的热CVD能够生产技术上相关规格的石墨烯。然而，对于多个步骤和高温(～1000℃)的需要与器件制造和集成是不兼容的。尽管在石墨烯膜的形成方面取得了进展，但本领域仍需要与石墨烯生产有关的改进的方法和系统。
技术实现思路
本专利技术大体涉及用于材料合成的方法和系统。更具体地说，本专利技术涉及利用高产量、单步骤、低温催化生长工艺来生长高质量石墨烯纳米带的方法和系统。仅以举例的方式，本专利技术已应用于生长石墨烯纳米带的方法。所述方法和技术可应用于包括CMOS兼容的半导体生长工艺在内的各种石墨烯生长系统。根据本专利技术的实施方式，提供了在单步工艺中生长石墨烯纳米带(GNSP)的方法和系统。如上所述，在不需要对生长室进行主动加热的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺期间，使用一种或多种取代芳烃(例如，1,2-二氯苯)作为前驱体。使用等离子体尺寸为1～2cm3的低等离子体功率(例如，≤60W)，GNSP能够以高产量垂直地生长，例如在短时间段(例如，20分钟)内达到(13±4)g/m2。这些GNSP在不同的过渡金属基板上表现出高的长宽比(从10:1至130:1)和几十到几百纳米的宽度。专利技术人已经证实，可通过生长参数(例如，种晶分子的种类、组成和引入等离子体的气体流速、等离子体功率、生长时间和类似者)来控制GNSP的形态、电子性能和产量。总的来说，我们已开发了一种通过PECVD和诸如1,2-二氯苯(1,2-DCB)分子之类的芳香族前驱物，在各种过渡金属基板上生长大量GNSP的新型高产量单步方法。这种有效的生长方法不需要任何主动加热，并且能够在对于1～2cm3的等离子体尺寸于≤60W的相对较低的等离子体功率下，在20分钟内可再现地产生～10g/m2的高产量。此外，由此产生的GNSP能够容易地从生长基板转移到任何其他基板上。因此，这种新型生长方法对于大规模生产GNSP极具前景。通过对作为生长参数的函数的这些GNSP的拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)图像、紫外光电子能谱(UPS)、透射电子显微镜(TEM)图像、能量色散X射线光谱(EDS)和电导率的研究，我们还证实了这些GNSP具有～104cm2/V-s的电迁移率的高质量，并且发现了GNSP的性能与生长参数的相关性。基于我们的实验结果，我们提出了GNSP的生长和分支机制，其表明1,2-DCB前驱体分子在启动GNSP的垂直生长和确定GNSP的形态方面的重要作用。因此，这些发现为大规模、廉价地批量生产用于超级电容器和光伏电池等大规模应用的高质量GNSP开辟了一条新途径。与我们的无需主动加热而在铜基板上横向生长高质量大石墨烯片的单步PECVD生长工艺相比，通过添加诸如1,2-二氯苯(1,2-DCB)、1,2-二溴苯(1,2-DBB)、1,8-二溴萘(1,8-DBN)和甲苯之类的取代芳烃作为种晶分子的PECVD法在各种过渡金属基板上垂直生长这些具有大长宽比的GNSP。在这些取代芳烃中，我们发现1,2-二氯苯(1,2-DCB)对GNSPs在室温下的生长最为有效。因而，我们此后集中于对由1,2-DCB接种的PECVD生长的GNSP进行研究。整个生长工艺在相对较低的等离子体功率(对于1～2cm3的等离子体尺寸为≤60W)下于不到20分钟内在单一步骤中发生，所得到的GNSP表现出大的长宽比和高产量。对拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能量色散X射线光谱(EDS)、紫外光电子能谱(UPS)和电导率的研究均证实了由此获得的GNSP的高质量。基于这些实验发现，以及来自等离子体处理期间获得的残余气体分析仪(RGA)光谱和光发射光谱(OES)的数据，我们提出了一种生长机制，并且表明在氢等离子体中引入取代芳烃对实现具有高的长宽比的GNSP的快速垂直生长起着关键作用。根据本专利技术的一个实施方式，提供了一种形成石墨烯纳米带的方法。所述方法包括：提供基板，所述基板包括铜箔或泡沫镍中的至少一者，将所述基板置于处理腔室中的减压环境中，并且提供甲烷气体和1,2-二氯苯(1,2-DCB)气体。所述方法还包括：使甲烷气体和1,2-DCB流入处理腔室中，并在处理腔室中建立1,2-DCB气体与甲烷气体的分压比。所述分压比在0和3之间。所述方法进一步包括：生成等离子体，之后，将基板的至少一部分暴露于甲烷气体、1,2-DCB气体和等离子体，并将耦合到基板的至少一部分的石墨烯纳米带进行生长。根据本专利技术的另一实施方式，提供了一种形成石墨烯纳米带的方法。所述方法包括：提供过渡金属基板，将所述过渡金属基板置于减压环境中，并且提供甲烷气体和含C6前驱体。所述方法还包括：将所述过渡金属基板的至少一部分暴露于甲烷气体和含C6前驱体，生成等离子体，将所述过渡金属基板的至少一部分暴露于甲烷气体、含C6前驱体和等离子体，并将耦合到所述过渡金属基板的至少一部分的石墨烯纳米带进行生长。根据本专利技术的具体实施方式，提供了一种形成石墨烯纳米带的方法。所述方法包括：提供基板，将所述基板置于减压环境中，并且提供甲烷气体。所述方法还包括：加热炉子以提供1,8-二溴萘，将所述基板的至少一部分暴露于甲烷气体和1,8-二溴萘，并生成等离子体。所述方法进一步包括：将所述基板的至少一部分暴露于甲烷气体、1,8-二溴萘和等离子体，并将耦合到所述基板的至少一部分的石墨烯纳米带进行生长。相较于常规技术，通过本专利技术的方法实现了许多益处。例如，本专利技术的实施方式提供了用于生产适用于包括能量存储、光伏能量收集、宽带光子检测和导电复合材料在内的各种应用的石墨烯纳米带的技术。本专利技术的实施方式可用于在无需主动加热的情况下生长GNSP，从而显著减少材料制造的热预算。另外，相较于迄今为止其他报道过的典型热CVD工艺，各实施方式因与本专利技术的种晶PECVD方法相关的单步生长工艺而增加了制造产量。此外，与热CVD工艺相比，各实施方式能够以高产量和高电迁移率来生长具有高的长宽比的石墨烯纳米带。结合以下文本和附图更详细地描述本专利技术的这些和其他实施方式及其许多优点和特征。附图说明图1是图解根据本专利技术一个实施方式的用于生长石墨烯纳米带的PECVD系统的简化示意图。图2是图解根据本专利技术另一实施方式的用于生长石墨烯纳米带的PECVD系统的简化示意图。图3是图解根据本专利技术一个实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种形成石墨烯纳米带的方法，所述方法包括：提供基板，所述基板包括铜箔或泡沫镍中的至少一者；将所述基板置于处理腔室中的减压环境中；提供甲烷气体和1,2‑二氯苯(1,2‑DCB)气体；使所述甲烷气体和所述1,2‑DCB流入所述处理腔室中；在所述处理腔室中建立所述1,2‑DCB气体与所述甲烷气体的分压比，其中所述分压比在0和3之间；生成等离子体；之后，将所述基板的至少一部分暴露于所述甲烷气体、所述1,2‑DCB气体和所述等离子体；和将耦合到所述基板的至少一部分的所述石墨烯纳米带进行生长。
【技术特征摘要】
2017.09.26 US 62/563,246;2018.02.20 US 15/900,5171.一种形成石墨烯纳米带的方法，所述方法包括：提供基板，所述基板包括铜箔或泡沫镍中的至少一者；将所述基板置于处理腔室中的减压环境中；提供甲烷气体和1,2-二氯苯(1,2-DCB)气体；使所述甲烷气体和所述1,2-DCB流入所述处理腔室中；在所述处理腔室中建立所述1,2-DCB气体与所述甲烷气体的分压比，其中所述分压比在0和3之间；生成等离子体；之后，将所述基板的至少一部分暴露于所述甲烷气体、所述1,2-DCB气体和所述等离子体；和将耦合到所述基板的至少一部分的所述石墨烯纳米带进行生长。2.如权利要求1所述的方法，其中所述分压比在1和2之间。3.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述处理腔室中生成C6自由基，同时：将所述基板的至少一部分暴露于所述甲烷气体、所述1,2-DCB气体和所述等离子体；和将所述石墨烯纳米带进行生长。4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述处理腔室中生成C6H6，同时：将所述基板的至少一部分暴露于所述甲烷气体、所述1,2-DCB气体和所述等离子体；和将所述石墨烯纳米带进行生长。5.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述处理腔室中提供氢气并生成HCl，同时：将所述基板的至少一部分暴露于所述甲烷气体、所述1,2-DCB气体和所述等离子体；和将所述石墨烯纳米带进行生长。6.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述处理腔室中生成CN自由基，同时：提供含氮气的气体；将所述基板的至少一部分暴露于所述甲烷气体、所述含氮气的气体、所述1,2-DCB气体和所述等离子体；和将所述石墨烯纳米带进行生长。7.一种形成石墨烯纳米带的方法，所述方法包括：提供过渡金属基板；将所述过渡金属基板置于减压环境中；提供甲烷气体和含C6前驱体；将所述过渡金属基板的至少一部分暴露于所述甲烷气体和所述含C6前驱体；生成等离子体；将所述过渡金属基板的至少一部分暴露于所述甲烷气体、所述含C...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐诚志，叶乃裳，
申请(专利权)人：加州理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US
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