一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，减少制备过程中等离子体对石墨烯的破坏，生长均匀连续的高质量石墨烯。该制备石墨烯的方法依次包括以下步骤：1)将铜管放入石英管内，将基底放入铜管内；2)将内置有铜管和基底的石英管放入等离子体增强化学气相沉积的反应炉中，向反应炉内通入氢气并对基底进行退火处理，然后将反应炉的温度从退火温度降至600℃；3)调节氢气流量为50～100sccm并通入甲烷，甲烷流量为5sccm，打开射频、进行石墨烯生长，射频功率为200W，生长5～180min后关闭射频和加热装置，并停止向反应炉内通入氢气和甲烷，将反应炉冷却至室温。

A Method of Preparing Graphene by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法
本专利技术涉及石墨烯制备方法，具体地涉及一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法。
技术介绍
下面的
技术介绍
用于帮助读者理解本专利技术，而不能被认为是现有技术。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备石墨烯，采用射频使碳源在低温下裂解成活性碳原子，活性碳原子在基底上沉积、形成石墨烯薄膜。PECVD制备石墨烯所需温度低、沉积速率快、成膜质量好。铜常用于作为生长石墨烯的金属基底。现有技术采用PECVD在制备石墨烯薄膜时，通常将铜基底直接放置在石英管内，使活性碳原子在基底上沉积、形成石墨烯薄膜。由于沉积在基底上的石墨烯容易受到等离子体的破坏，因此现有的PECVD制备的石墨烯薄膜完整性较差且层数和尺寸不可控。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，减少制备过程中等离子体对石墨烯的破坏，生长均匀连续的高质量石墨烯。一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：1)将铜管放入石英管内，将基底放入铜管内；2)将内置有铜管和基底的石英管放入等离子体增强化学气相沉积的反应炉中，向反应炉内通入氢气并开启加热装置、对基底进行退火处理，然后将反应炉的温度从退火温度降至600℃；3)调节氢气流量为50～100sccm并通入甲烷，甲烷流量为5sccm，打开射频、进行石墨烯生长，射频功率为200W，生长5～180min后关闭射频和加热装置，并停止向反应炉内通入氢气和甲烷，将反应炉冷却至室温。在步骤3)的生长时间段内反应炉的温度保持步骤2)中的温度600℃不变。优选的，步骤2)中的氢气流量为50sccm。优选的，放置于石英管内的铜管贴紧石英管内壁。优选的，铜管位于石英管中间。优选的，步骤3)中氢气流量为70sccm。优选的，步骤3)中生长时间为90min。进一步，基底放置在铜管后端。氢气和甲烷通入时、首先经过的一端为铜管的前端，铜管的另一端为铜管后端，铜管的前端和后端之间的部分为铜管的中部。进一步，基底是铜基底或镍基底。进一步，步骤1)之前对基底和/或铜管进行前处理，前处理的具体过程是：配制稀盐酸，将基底和/或铜管放入稀盐酸中超声清洗后、捞出，然后依次将基底和/或铜管放入去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗，烘干。稀盐酸用于去除基底和铜管表面的部分氧化物和其他金属颗粒等杂质，去离子水用于去除基底和铜管表面残留的稀盐酸，丙酮和异丙醇用于去除基底和铜管表面的有机杂质。基底前处理降低基底表面粗糙度，增加基底与石墨烯的结合力。铜管前处理避免在石墨烯生长过程中、杂质从铜管表面溢出，影响石墨烯生长。进一步，步骤1)之前包括步骤：将铜箔放入稀盐酸中超声清洗后、捞出，然后依次将铜箔放入去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗，烘干；然后从铜箔上剪取第一块并将第一块卷绕成铜管，从铜箔上剪取第二块作为基底。进一步，稀盐酸由分析纯浓盐酸和去离子水以1:10的比例混合而成。进一步，步骤2)和步骤3)之间还包括清洗步骤：调节氢气流量为100sccm，打开射频，用射频激发氢气产生氢气等离子体，用氢气等离子体清洗铜管内表面和基底表面的杂质，射频功率为100W。清洗步骤中反应炉内的温度保持600℃。优选的，清洗时长30min。本专利技术的有益效果：1、石英管内设有铜管、基底放置在铜管内，铜管在制备石墨烯过程中起到催化石墨烯沉积的作用，而且铜管能够吸收源于射频激发的等离子体内的电子，降低等离子体对已生长在基底上的石墨烯的破坏，减少石墨烯的缺陷，另外铜管还能够对石英管内的氢气等离子体和碳等离子体起到整流的作用，从而使生长的石墨烯膜均匀连续。2、对基底和/或铜管进行前处理，去除基底和/或铜管表面的部分氧化物、其他金属颗粒、有机杂质等；基底前处理降低基底表面粗糙度，增加基底与石墨烯的结合力，铜管前处理避免在石墨烯生长过程中、杂质从铜管表面溢出、影响石墨烯生长。3、退火处理增加基底的晶粒尺寸，有利于增加单个石墨烯晶畴尺寸；退火处理还能够使碳和其他金属杂质从铜管和基底表面溢出，从而在清洗步骤中、杂质能够被氢气等离子体去除，减少杂质对石墨烯生长的阻碍。附图说明图1是本专利技术一个实施例中铜基底、铜管和石英管的位置示意图。图2是本专利技术对比例中石墨烯的检测图：2a)是光学显微镜图，2b)是拉曼光谱图。图3是本专利技术实施例1中石墨烯的检测图：3a)是光学显微镜图，3b)是拉曼光谱图。图4是本专利技术实施例2中石墨烯的检测图：4a)是光学显微镜图，4b)是拉曼光谱图。图5是本专利技术实施例3中石墨烯的检测图：5a)是光学显微镜图，5b)是拉曼光谱图。图6是本专利技术实施例4中石墨烯的检测图：6a)是光学显微镜图，6b)是拉曼光谱图。图7是本专利技术实施例5中石墨烯的检测图：7a)是光学显微镜图，7b)是拉曼光谱图。图8是本专利技术实施例6中石墨烯的检测图：8a)是光学显微镜图，8b)是拉曼光谱图。图9是本专利技术实施例7中石墨烯的检测图：9a)是光学显微镜图，9b)是拉曼光谱图。图10是本专利技术实施例8中石墨烯的检测图：10a)是光学显微镜图，10b)是拉曼光谱图。图11是本专利技术实施例9中石墨烯的检测图：11a)是光学显微镜图，11b)是拉曼光谱图。图12是本专利技术实施例10中石墨烯的检测图：12a)是光学显微镜图，12b)是拉曼光谱图。具体实施方式下面结合对比例和具体实施例对本专利技术进行进一步的详细说明。对比例一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，依次包括以下步骤：1)用分析纯浓盐酸和去离子水以1:10的比例配制稀盐酸，将铜箔放入稀盐酸中超声清洗10min、捞出，然后依次放入去离子水、丙酮和异丙醇中分别超声清洗5min，烘干。2)从铜箔上剪取一块作为铜基底，将铜基底放入石英管内。3)将内置有铜基底的石英管放入等离子体增强化学气相沉积的反应炉中，向反应炉内通入氢气，氢气流量为50sccm，并开启加热装置，使反应炉的温度40min内升至1000℃、保温30min，对基底进行退火处理；然后在60min内降温至600℃。升温包括两步：第一步、在30min内将反应炉的温度从室温升至900℃；第二步、在10min内将反应炉的温度从900℃升至1000℃。4)调节氢气流量为100sccm，打开射频，用射频激发氢气产生氢气等离子体，用氢气等离子体清洗铜管内表面和基底表面的杂质，射频功率为100W，清洗时长30min。5)调节为氢气流量70sccm并通入甲烷，甲烷流量为5sccm，将射频功率调节至200W、进行石墨烯生长，生长90min后关闭射频和加热装置，并停止向反应炉内通入氢气和甲烷，20min内将反应炉冷却至室温。步骤4)和步骤5)的生长时间段内温度均维持在600℃。然后，将铜基底从石英管内取出，得到沉积在铜基底表面的石墨烯薄膜。实施例1一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，依次包括以下步骤：1)用分析纯浓盐酸和去离子水以1:10的比例配制稀盐酸，将铜箔放入稀盐酸中超声清洗10min、捞出，然后依次放入去离子水、丙酮和异丙醇中分别超声清洗5min，烘干。2)从铜箔上剪取第一块，将第一块铜箔卷绕成铜管，将铜管放入石英管内，铜管贴紧石英管内壁，铜管与石英管对中；从铜箔上剪取第二块作为铜基底，将铜基底放入铜管内，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：1)将铜管放入石英管内，将基底放入铜管内；2)将内置有铜管和基底的石英管放入等离子体增强化学气相沉积的反应炉中，向反应炉内通入氢气并开启加热装置、对基底进行退火处理，然后将反应炉的温度从退火温度降至600℃；3)调节氢气流量为50～100sccm并通入甲烷，甲烷流量为5sccm，打开射频、进行石墨烯生长，射频功率为200W，生长5～180min后关闭射频和加热装置，并停止向反应炉内通入氢气和甲烷，将反应炉冷却至室温。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：1)将铜管放入石英管内，将基底放入铜管内；2)将内置有铜管和基底的石英管放入等离子体增强化学气相沉积的反应炉中，向反应炉内通入氢气并开启加热装置、对基底进行退火处理，然后将反应炉的温度从退火温度降至600℃；3)调节氢气流量为50～100sccm并通入甲烷，甲烷流量为5sccm，打开射频、进行石墨烯生长，射频功率为200W，生长5～180min后关闭射频和加热装置，并停止向反应炉内通入氢气和甲烷，将反应炉冷却至室温。2.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于：步骤3)中氢气流量为70sccm。3.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于：步骤3)中生长时间为90min。4.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于：基底放置在铜管后端。5.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于：基底是铜基底或镍基底。6.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵沛，邹振兴，郑浩然，张学薇，任钱诚，王宏涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33