一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法技术

本发明专利技术涉及二维石墨烯新材料及其化学气相沉积(CVD)制备领域，具体为一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，适于制备大面积的高质量均匀层数石墨烯薄膜。采用上层铜箔/底层过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在低于铜熔点的温度下通过CVD技术催化裂解碳源生长出层数不均匀的石墨烯薄膜，后提高生长温度至铜熔点以上，在短时间内制备出高质量均匀层数的石墨烯薄膜，后续刻蚀掉铜基底得到高质量均匀层数的石墨烯薄膜。本发明专利技术具有制备工艺简单，时间周期短，产物尺寸及厚度易于调控并适于大面积制备等特点，为大面积高质量均匀石墨烯薄膜在场效应晶体管、透明导电薄膜、柔性电子器件等领域的研究和应用奠定基础。

A Rapid Method for Preparing High Quality and Uniform Layer Graphene Films

【技术实现步骤摘要】
一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法
：本专利技术涉及二维石墨烯新材料及其化学气相沉积(CVD)制备领域，具体为一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，适于制备大面积的高质量均匀层数石墨烯薄膜。
技术介绍
：石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积的具有二维蜂窝状晶体结构的新型碳材料。它是迄今为止人们发现的最薄的材料，厚度只有0.335纳米。因为其独特的晶体结构，使得石墨烯具有非常特殊的电学，热学，力学，光学等特性。例如，石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余的一个p轨道电子形成大π键，赋予石墨烯优异的电学性能。石墨烯的室温载流子迁移率可以高达105cm2v-1s-1，是半导体工业中常用的硅材料的100多倍。其电导率可达106S/m，面电阻约为30Ω/□，是室温下导电性最好的材料。石墨烯还具有优异的热学和力学性能。石墨烯的室温热导率约为5×103Wm-1K-1，高于碳纳米管和金刚石，是室温下铜热导率的10倍多。同时，石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体。其抗拉强度和弹性模量分别是125GPa和1.1TPa。石墨烯的强度极限是42N/m2。此外，石墨烯还具有优异的光学性能。石墨烯特殊的单层碳原子的厚度使其仅吸收2.3％的可见光，即透光率为97.7％。因此，可以根据石墨烯薄膜的可见光透光率来估计其层数。石墨烯因其特殊的物理化学性质，使得其在柔性电子器件、复合材料、储能、催化、传感器等领域具有广阔的应用前景。然而，石墨烯的层数影响石墨烯的电子结构进而对其各种性能也产生巨大的影响。例如，单层石墨烯是一种零带隙的半导体材料，而双层石墨烯是目前已知的唯一可以通过施加垂直石墨烯的电场使其带隙可调的半导体材料。但目前，如何实现在平面方向上晶粒尺寸和分布的调控以及在垂直平面的方向上对层数的可控仍然是石墨烯领域研究的热点和难点。铜是最常被用作制备单层石墨烯的金属基底，但是由于固态铜表面存在许多晶界等缺陷使得石墨烯发生优先形核导致石墨烯薄膜上存在许多多层的小岛。液态铜的表面洁净平整没有缺陷，利于均匀层数石墨烯的生长，但是石墨烯在液态铜表面生长速度比较缓慢并且难以形成完整的薄膜。结合石墨烯在固态铜以及液态铜表面生长的优缺点，利用化学气相沉积的方法开展对石墨烯薄膜层数控制制备工作，对实现石墨烯层数的可控制备、石墨烯物理化学性能的深入研究、探索其在新领域的应用以及对其他二维材料的制备、物性研究、应用等方面具有重要的意义和影响。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，解决目前研究中得到的材料质量差、层数不均，层数难以控制等问题，为研究石墨烯薄膜的本征特性和探索其应用奠定基础。本专利技术的技术方案是：一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，采用上层铜箔/底层过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，通过两个步骤：(1)采用铜箔/过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在低于铜熔点的温度下通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出层数不均匀的石墨烯薄膜；(2)提高生长温度到铜熔点以上，在短时间内制备出高质量均匀层数的石墨烯薄膜，后续刻蚀掉铜基底得到高质量的均匀层数石墨烯薄膜。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，具体步骤如下：(1)层数不均匀的石墨烯薄膜的生长制备：以上层铜箔/底层过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在化学气相沉积过程中，铜箔作为金属催化基底催化裂解碳源，并在其表面形成具有多层石墨烯小岛的不均匀石墨烯薄膜；(2)高质量的均匀层数石墨烯薄膜的生长制备：将石墨烯制备的温度升高到铜熔点以上，固态铜融化变成液态铜；底层过渡族金属箔片作为液态铜的衬底使液态铜平整的铺展在过渡族金属箔片的表面；由步骤(1)生长得到的不均匀的石墨烯薄膜经过刻蚀、修复再生长，以及邻近晶向相近晶粒的融合过程，形成高质量层数均匀的石墨烯薄膜；(3)高分子聚合物保护层的涂覆：在高质量均匀层数的石墨烯薄膜表面均匀地涂覆一层高分子聚合物作为保护层，防止石墨烯薄膜在后续处理过程中发生破坏；(4)铜基底的刻蚀：用铜的刻蚀液去除铜基底，得到高分子聚合物/石墨烯薄膜的复合膜；(5)高分子聚合物保护层的去除：将得到的高分子聚合物/石墨烯薄膜复合膜放置在目标基体上，用有机溶剂将覆盖在石墨烯薄膜表面的高分子聚合物保护膜溶解去除。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，底层采用的过渡族金属箔片为高熔点的钼片或钨片，上层采用的铜箔和底层采用的过渡族金属箔片厚度分别为1μm～200μm，纯度为98wt％～99.9999wt％。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，化学气相沉积反应过程中，碳源为碳氢化合物：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷、乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上；或者，碳源为固体碳源：无定形碳、石蜡、高分子聚合物之一种或两种以上，高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，化学气相沉积反应过程中，载气为氢气，或者载气为氢气与惰性气体的混合气体。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，化学气相沉积生长石墨烯的温度为900℃～1300℃，生长时间为1～300分钟；其中，步骤(1)生长石墨烯的时间为1～300分钟，步骤(2)生长石墨烯的时间为1～60分钟。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，铜的刻蚀液为过硫酸铵水溶液、四氯化锡水溶液或氯化铁水溶液。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，采用高分子聚合物作为高质量均匀层数石墨烯薄膜的保护层，从而将石墨烯薄膜转移到其他基体上，高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，除去铜基底后，用有机溶剂去除高分子聚合物保护层，采用的有机溶剂为酮类、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，均匀层数石墨烯薄膜的层数为1～10层，每层石墨烯薄膜的厚度为0.3～0.8nm，层数取决于碳源量的供给，尺寸取决于制备过程中所使用的金属基体的尺寸，整个材料成分均一、厚度均一可控，透光率大于85％，方块电阻为10Ω～2000Ω。本专利技术的优点及有益效果是：1.本专利技术结合石墨烯在固态铜上以及在液态铜上生长的优点，提出一种新的制备高质量层数均匀的石墨烯薄膜的方法——固液两步法，可以制备高质量均匀层数的石墨烯薄膜。2.本专利技术得到的石墨烯薄膜，具有很好的层数可控性，并且层数可以在整个样品上达到100％的均匀。并且，石墨烯薄膜的结晶质量很高，其内部晶粒尺寸较大，晶粒之间晶向趋于一致，缺陷很少。因此，也具有优异的光电性能，高的可见光透过性，较低的电阻，由此制备出的柔性有机发光二极管(OLED)器件具有较高电流效率和功率效率。这一系列结构性能特点，可以为高质量层数均匀的石墨烯薄膜在场效应晶体管、透明导电薄膜、柔性电子器件等研究和应用奠定基础。3.本专利技术提出的CVD方法可在常压下进行，具有操作方便、易于调控和易于大面积制备等特点，而且本专利技术提出的方法最大的优势在于石墨烯制备周期很短，需20min～30min，并且石墨烯在液态铜上生长的时间非常短，只需本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，其特征在于，采用上层铜箔/底层过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，通过两个步骤：(1)采用铜箔/过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在低于铜熔点的温度下通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出层数不均匀的石墨烯薄膜；(2)提高生长温度到铜熔点以上，在短时间内制备出高质量均匀层数的石墨烯薄膜，后续刻蚀掉铜基底得到高质量的均匀层数石墨烯薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，其特征在于，采用上层铜箔/底层过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，通过两个步骤：(1)采用铜箔/过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在低于铜熔点的温度下通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出层数不均匀的石墨烯薄膜；(2)提高生长温度到铜熔点以上，在短时间内制备出高质量均匀层数的石墨烯薄膜，后续刻蚀掉铜基底得到高质量的均匀层数石墨烯薄膜。2.按照权利要求1所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)层数不均匀的石墨烯薄膜的生长制备：以上层铜箔/底层过渡族金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在化学气相沉积过程中，铜箔作为金属催化基底催化裂解碳源，并在其表面形成具有多层石墨烯小岛的不均匀石墨烯薄膜；(2)高质量的均匀层数石墨烯薄膜的生长制备：将石墨烯制备的温度升高到铜熔点以上，固态铜融化变成液态铜；底层过渡族金属箔片作为液态铜的衬底使液态铜平整的铺展在过渡族金属箔片的表面；由步骤(1)生长得到的不均匀的石墨烯薄膜经过刻蚀、修复再生长，以及邻近晶向相近晶粒的融合过程，形成高质量层数均匀的石墨烯薄膜；(3)高分子聚合物保护层的涂覆：在高质量均匀层数的石墨烯薄膜表面均匀地涂覆一层高分子聚合物作为保护层，防止石墨烯薄膜在后续处理过程中发生破坏；(4)铜基底的刻蚀：用铜的刻蚀液去除铜基底，得到高分子聚合物/石墨烯薄膜的复合膜；(5)高分子聚合物保护层的去除：将得到的高分子聚合物/石墨烯薄膜复合膜放置在目标基体上，用有机溶剂将覆盖在石墨烯薄膜表面的高分子聚合物保护膜溶解去除。3.按照权利要求1或2所述的快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法，其特征在于，底层采用的过渡族金属箔片为高熔点的钼片或钨片，上层采用的铜箔和底层采用的过渡族金属箔片厚度分别为1μm～200μm，纯度为98wt％～99.9999wt％。4.按照...

【专利技术属性】
技术研发人员：任文才，辛星，徐川，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21