一种利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，该方法用掩模版在铜箔上镀金属镍阵列(或在镍箔上镀金属铜阵列)，然后高温加热使其表面变成铜镍合金阵列，然后在CVD工艺的生长温度下，通入碳源，降温时在复合金属薄膜表面生长出石墨烯阵列，利用复合金属薄膜来控制不同区域石墨烯的层数，制备出高品质的中间厚边缘薄石墨烯阵列或中间薄边缘厚的石墨烯阵列，解决了现有方法得到石墨烯阵列每个阵点厚度均匀的问题，满足了加速度传感器、压力传感器等应用对石墨烯的特殊需要，能够得到高质量的石墨烯阵列。

A method for fabricating graphene arrays with different lattice thicknesses using composite metal templates

The invention relates to a method for preparing graphene arrays with different lattice thickness by using composite metal templates. The method uses a mask to coat nickel arrays on copper foil (or copper arrays on nickel foil) and then heat it at high temperature to change its surface into copper-nickel alloy arrays. At the growth temperature of CVD process, carbon source is introduced and graphite is grown on the surface of composite metal film when the temperature is lowered. By using composite metal film to control the layers of graphene in different areas, high quality thin graphene arrays with middle thickness and edge or middle thin edge thickness were prepared. The problem of uniform thickness of each lattice in graphene arrays obtained by existing methods was solved, and the special needs of graphene for acceleration sensors, pressure sensors and other applications were met. High quality graphene arrays.

【技术实现步骤摘要】
一种利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法
本专利技术涉及一种利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，属于石墨烯阵列制备

技术介绍
石墨烯是由碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有优异的电学、光学、热学和力学性能，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、光电探测器、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用，在工业、电力行业及电子产业都有广阔的应用前景。目前，石墨烯单晶常用的制备方法主要有两大类，一类是化学气相沉积(CVD)法，另一类是高温SiC热解法。化学气相沉积(CVD)法主要采用金属作为基底，利用甲烷等含碳化合物作为碳源，通过将碳源在基体表面进行高温分解生长石墨烯。CVD方法工艺较为简单、成本低廉，是制备石墨烯的常用方法之一。唐军等报道了在6H-SiC硅面上生长石墨烯的方法，采用的设备是分子束外延设备，其方法是真空下，先在750℃下沉积一层硅，然后升高到1300℃外延生成石墨烯(见唐军等，退火时间对6H-SiC(0001)表面外延石墨烯形貌和结构的影响，物理化学学报，2010，26(1)，253-258)。但是，化学气相沉积法制备得到的石墨烯大多是随机成核和生长的，其空间分布的可控性较差，得到的是大尺寸单层和均匀多层石墨烯，难以制备得到特定的阵列化石墨烯。然而基于石墨烯的电子器件，通常需要阵列化石墨烯。中国专利文献201210008150.8公开了一种可控石墨烯阵列的制备方法，采用晶向相同的两硅衬底进行小角度键合，形成方形网格状的螺旋位错，由于位错引起硅表面应力分布不均，利用应力选择性腐蚀，对位错线影响的垂向对应区域进行刻蚀，形成正方形网格状的图形化硅岛，采用电子术外延形成具有偏析特性的金属纳米颗粒，最后采用化学气相沉积法与偏析方法制备出石墨烯阵列。但这种方法制备得到的石墨烯阵列每个阵点厚度均匀，无法满足新型加速度传感器、压力传感器、矢量传感器等应用的需求：加速度传感器和压力传感器在军事上应用很广，其感应膜需要不透气、透光、中间薄边缘厚的石墨烯薄膜，而矢量传感器需要中间厚边缘薄的石墨烯薄膜，非薄厚均匀的石墨烯薄膜材料。因此，有必要建立一种科学的、高品质的、可控制其中心和边缘层数的石墨烯阵列的制备方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法。专利技术简述：本专利技术用掩模版在铜箔上镀金属镍阵列(或在镍箔上镀金属铜阵列)，然后高温加热使其表面变成铜镍合金阵列，然后在CVD工艺的生长温度下，通入碳源，降温时在复合金属薄膜表面生长出石墨烯阵列，利用复合金属薄膜来控制不同区域石墨烯的层数，制备出高品质的中间厚边缘薄石墨烯阵列或中间薄边缘厚的石墨烯阵列，解决了现有方法得到石墨烯阵列每个阵点厚度均匀的问题，满足了加速度传感器、压力传感器等应用对石墨烯的特殊需要，能够得到高质量的石墨烯阵列。术语解释：光学掩模版：在薄膜、塑料或玻璃基体材料上制作各种功能图形并精确定位，以便用于光致抗蚀剂涂层选择性曝光的一种结构。电镀：利用电解原理在金属表面上镀上一薄层其它金属的过程。电子束蒸发：将蒸发材料置于水冷坩埚中，利用电子束直接加热使蒸发材料汽化并在衬底上凝结形成薄膜。等离子体溅射：用直流或射频的方法使稀有气体电离成等离子体，再通过偏置等方法轰击靶材，使靶上的原子有足够的能力脱离出来，落在基板上，形成薄膜。专利技术详述：本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，包括如下步骤：(1)提供一金属箔，进行清洗，去除表面杂质，得到除杂后的金属箔；(2)在除杂后的金属箔上采用电镀或者沉积方式电镀或沉积上其他金属阵列，得到金属阵列衬底；(3)将金属阵列衬底置于CVD生长炉的石英舟样品台上，抽真空，升温至200-300℃，通入高纯氩气，压力控制在100-300mbar，保温1～5min；然后升温至550-650℃，通入高纯氢气，压力控制在100-300mbar，保温10～60min，退火后得到复合金属阵列衬底；(4)得到的复合金属阵列衬底继续升温至1000-1100℃，保温10-60min；然后通入高纯碳源气体，压力控制在100-300mbar，保温5-60min进行生长石墨烯阵列，生长完成后，关闭碳源气体，继续通高纯氩气，压力控制在100-300mbar，把加热区间拉到另一侧，快速降温至500-600℃，然后自然降温到室温，在复合金属阵列衬底表面生长出石墨烯阵列；(5)对步骤(4)得到的石墨烯阵列的复合金属衬底除去复合金属或使石墨烯跟衬底分离，清洗、烘干得到阵点厚度不同的石墨烯阵列。本专利技术优选的，步骤(1)中，所述的金属箔为镍箔、铜箔、铂箔、铁箔、钴箔；金属箔的厚度为0.010mm-0.10mm，纯度>99.9％；所述的清洗为将金属箔依次用去离子水、无水乙醇进行超声清洗。本专利技术优选的，步骤(2)中，所述的其他金属阵列为铜阵列或镍阵列，与步骤(1)中金属箔的金属不同，当步骤(1)中金属箔为镍箔，步骤(2)中其他金属阵列为铜阵列；当步骤(1)中金属箔为铜箔，步骤(2)中其他金属阵列为镍阵列。本专利技术优选的，步骤(2)中，金属阵列衬底具体是按如下两种方式之一获得：a、在金属箔上覆盖金属多孔掩膜板，金属多孔掩膜板上的孔为圆形孔，采用电镀或者沉积方式在金属多孔掩膜板上电镀或沉积上一层其他金属，除掉金属多孔掩膜板，在金属箔上得到其他金属的金属阵列，金属阵列点的直径为10-500μm；b、在金属箔上表面粘贴上光学掩膜板，对光学掩膜板进行曝光，光学掩膜板上的孔为圆形孔，除去曝光点处的胶，在曝光点处采用电镀或者沉积方式在金属多孔掩膜板上电镀或沉积上一层其他金属，除去其余的胶，在金属箔上得到其他金属的金属阵列，金属阵列点的直径为10-500μm。进一步优选的，步骤(2)中，掩膜板上的孔直径为100-500μm，金属阵列的阵列点的厚度为10nm-800nm，阵列点的总质量与金属箔的质量比为1:10-1:5000。优选的，掩膜板上的孔直径为200-500μm，金属阵列的阵列点的厚度为200nm-400nm，阵列点的总质量与金属箔的质量比为1:500-1:2000。多孔掩膜板上的孔的间距根据需求确定，本专利技术采用的间距为1-5mm。本专利技术优选的，步骤(2)中，所述的电镀为金属箔用电化学工作站的阳极，放入其他金属盐溶液中，以铜片作为阴极，在金属箔上电镀一层其他金属阵列。本专利技术优选的，步骤(2)中，所述的沉积是采用电子束蒸发或等离子体溅射沉积。本专利技术优选的，步骤(3)中，抽真空真空度为10-4～10-6Pa，升温至200-300℃的升温速率为5-20℃/min，高纯氩气的通入流量为10-100sccm；升温至550-650℃的升温速率为5-20℃/min，高纯氢气通入流量为4-20sccm；高纯氩气、高纯氢气为大于等于5N氩气、大于等于5N氢气。本专利技术优选的，步骤(4)中，升温至1000-1100℃的升温速率为1-10℃/min，高纯碳源气体的通入流量为1-20sccm，所述的高纯碳源气体为大于等于的甲烷或丙烷气体；生长完成后高纯氩气通入流量为10-100sccm，快速降温降温速率为120-240℃/min。本专利技术优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，包括如下步骤：(1)提供一金属箔，进行清洗，去除表面杂质，得到除杂后的金属箔；(2)在除杂后的金属箔上采用电镀或者沉积方式电镀或沉积上其他金属阵列，得到金属阵列衬底；(3)将金属阵列衬底置于CVD生长炉的石英舟样品台上，抽真空，升温至200‑300℃，通入高纯氩气，压力控制在100‑300mbar，保温1～5min；然后升温至550‑650℃，通入高纯氢气，压力控制在100‑300mbar，保温10～60min，退火后得到复合金属阵列衬底；(4)得到的复合金属阵列衬底继续升温至1000‑1100℃，保温10‑60min；然后通入高纯碳源气体，压力控制在100‑300mbar，保温5‑60min进行生长石墨烯阵列，生长完成后，关闭碳源气体，继续通高纯氩气，压力控制在100‑300mbar，把加热区间拉到另一侧，快速降温至500‑600℃，然后自然降温到室温，在复合金属阵列衬底表面生长出石墨烯阵列；(5)对步骤(4)得到的石墨烯阵列的复合金属衬底除去复合金属或使石墨烯跟衬底分离，清洗、烘干得到阵点厚度不同的石墨烯阵列。

【技术特征摘要】
1.一种利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，包括如下步骤：(1)提供一金属箔，进行清洗，去除表面杂质，得到除杂后的金属箔；(2)在除杂后的金属箔上采用电镀或者沉积方式电镀或沉积上其他金属阵列，得到金属阵列衬底；(3)将金属阵列衬底置于CVD生长炉的石英舟样品台上，抽真空，升温至200-300℃，通入高纯氩气，压力控制在100-300mbar，保温1～5min；然后升温至550-650℃，通入高纯氢气，压力控制在100-300mbar，保温10～60min，退火后得到复合金属阵列衬底；(4)得到的复合金属阵列衬底继续升温至1000-1100℃，保温10-60min；然后通入高纯碳源气体，压力控制在100-300mbar，保温5-60min进行生长石墨烯阵列，生长完成后，关闭碳源气体，继续通高纯氩气，压力控制在100-300mbar，把加热区间拉到另一侧，快速降温至500-600℃，然后自然降温到室温，在复合金属阵列衬底表面生长出石墨烯阵列；(5)对步骤(4)得到的石墨烯阵列的复合金属衬底除去复合金属或使石墨烯跟衬底分离，清洗、烘干得到阵点厚度不同的石墨烯阵列。2.根据权利要求1所述的利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的金属箔为镍箔、铜箔、铂箔、铁箔、钴箔；金属箔的厚度为0.010mm-0.10mm，纯度>99.9％；所述的清洗为将金属箔依次用去离子水、无水乙醇进行超声清洗。3.根据权利要求1所述的利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的其他金属阵列为铜阵列或镍阵列，与步骤(1)中金属箔的金属不同，当步骤(1)中金属箔为镍箔，步骤(2)中其他金属阵列为铜阵列；当步骤(1)中金属箔为铜箔，步骤(2)中其他金属阵列为镍阵列。4.根据权利要求1所述的利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤(2)中，金属阵列衬底具体是按如下两种方式之一获得：a、在金属箔上覆盖金属多孔掩膜板，金属多孔掩膜板上的孔为圆形孔，采用电镀或者沉积方式在金属多孔掩膜板上电镀或沉积上一层其他金属，除掉金属多孔掩膜板，在金属箔上得到其他金属的金属阵列，金属阵列点的直径为10-500μm；b、在金属箔上表面粘贴上光学掩膜板，对光学掩膜板进行曝光，光学掩膜板上的孔为圆形孔，除去曝光点处的胶，在曝光点处采用电镀或者沉积方式在金属多孔掩膜板上电镀或沉积上一层其他金属，除去其余的胶，在金属箔上得到其他金属的金属阵列，金属阵列点的直径为10-500μm。5.根据权利要求4所述的利用复合金属模板制备阵点厚度不同石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤(2)中，掩膜板上的孔直径为100-500μm，金属阵列的阵列点的厚度为10nm-800nm，阵列点...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志远，赵莉莉，赵显，张飒飒，李志强，程秀凤，于法鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37