一种制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法技术

本发明专利技术涉及石墨烯新材料及其化学气相沉积(CVD)制备领域，具体为一种制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，适于制备大面积高质量均匀层数的石墨烯薄膜。采用铜镍合金作为生长基底，通过化学气相沉积技术制备出大面积高质量均匀层数的石墨烯薄膜，后续用鼓泡转移的方法得到高质量均匀少数层石墨烯薄膜。本发明专利技术具有制备周期短，工艺简单，生产成本低，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少数层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 Method for Preparing Large Area, High Quality and Uniform Minority Layer Graphene Films

【技术实现步骤摘要】
一种制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法
：本专利技术涉及石墨烯新材料及其化学气相沉积(CVD)制备领域，具体为一种制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，适于制备大面积高质量均匀层数的石墨烯薄膜。
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。同时它也是构成其他维度碳材料，例如：碳管、富勒烯、石墨等的基本结构单元。因为其独特的晶体结构，使得石墨烯具有非常优异的光电性能。例如，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。石墨烯特殊的单层碳原子的厚度(0.335纳米)使其仅吸收2.3％的可见光，即单层透光率为97.7％。因此，石墨烯在柔性电子器件、透明导电薄膜、太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。石墨烯被首次发现后，用机械剥离的方法虽然可以获得不同层数的高质量石墨烯，但是由于获得的样品尺寸受限且可重复性差等原因，无法在实际生产中得以推广。2009年，科学家们利用化学气相沉积法(CVD)在镍基底上制备出多层石墨烯。而化学气相沉积法具有成本低，可重复性好，可大面积制备石墨烯的特点从此被广泛的研究。最为常用的两种典型的金属基底为铜和镍。由于铜的溶碳量非常低使得石墨烯在其表面呈现出表面催化的生长机制，因此在铜表面容易获得相对均匀的单层石墨烯。而镍的溶碳量非常大使得石墨烯的生长呈现出溶解析出的生长机制，因此在镍的表面会获得层数及均匀性不可控的多层石墨烯薄膜。而铜镍合金综合以上两种金属在生长石墨烯方面的优势，有望获得大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜，拓宽石墨烯在光电领域的应用前景。同时，利用鼓泡转移的方法使得合金基底可以被反复使用，避免刻蚀法对金属基底的浪费，进一步降低实验成本，为大面积高质量均匀少数层石墨烯的工业化生产提供可能性。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，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：一种制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，采用铜镍合金作为生长基底，通过化学气相沉积技术制备出大面积高质量均匀层数的石墨烯薄膜，后续用鼓泡转移的方法得到高质量均匀少数层石墨烯薄膜。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，具体步骤如下：(1)大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的生长制备：在化学气相沉积过程中，以铜镍合金作为生长基底，结合铜和镍两种金属生长石墨烯的优势，进而制备出大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜；(2)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的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；(3)鼓泡转移方法：将石墨烯薄膜从铜镍合金基底转移到其他基底，采用鼓泡转移的方法使得铜镍合金基底与石墨烯在电解液中分离，得到高分子聚合物/石墨烯薄膜的复合膜且铜镍合金基底反复使用；(4)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。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，采用的铜镍合金基底厚度为1μm～200μm，纯度为98wt％～99.9999wt％，合金中镍的含量为1wt％～50wt％。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，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。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，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。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，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。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，鼓泡转移的电解液为过氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液，鼓泡转移所用的电流为0.1A～5A。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，采用高分子聚合物作为高质量均匀少数层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。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，将石墨烯与铜镍合金基底分离后，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。所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，均匀层数石墨烯薄膜层数为3～10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、生长时间以及铜镍合金基底的使用次数，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、厚度可控，透光率在85％以上，方块电阻为10Ω～1000Ω。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金属铜和镍上生长的优点，提出一种用铜镍合金制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法。结合鼓泡转移的方法，使得合金金属基底得以反复利用，从而降低制备成本，并且对于使用不同次数的相同基底，石墨烯生长的可重复性好。2.本专利技术得到的石墨烯薄膜，具有很好的层数可控性，并且层数较为均匀。并且，石墨烯薄膜的结晶质量很高，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，这些特点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，石墨烯薄膜的面积范围取决于反应腔体尺寸，石墨烯薄膜的面积可达到10×12cm2以上。4.本专利技术得到的高质量均匀层数石墨烯薄膜层数为3～10层，层数取决于碳源供给的量，生长时间以及合金使用次数等，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、厚度可控，透光率最高可达93％，方块电阻为10Ω～1000Ω。附图说明：图1，CVD法生长大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的实验装置示意图。图中，1气体入口；2金属基底；3气体出口；4加热炉。图2，不同层数石墨烯薄膜的光学照片和扫描照片。其中，a、e分别为三层石墨烯的光学照片和扫描照片，b、f分别为四层石墨烯的光学照片和扫描照片，c、g分别为五层石墨烯的光学照片和扫描照片，d、h分别为六层石墨烯的光学照片和扫描照片。图3，大面积均匀五层石墨烯薄膜拉曼光谱。其中，横坐标RamanShift代表拉曼峰位(cm-1)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。图4，不同尺寸的均匀五层石墨烯/PET薄膜宏观照片。其中，(a)面积5×6cm2，(b)面积10×12cm2。图5，不同层数的大面积均匀石墨烯薄膜透光率及电阻率对比。其中，(a)本专利技术三到六层石墨烯薄膜的透光率，横坐标Wavelength代表波长(nm)，纵坐标T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，其特征在于，采用铜镍合金作为生长基底，通过化学气相沉积技术制备出大面积高质量均匀层数的石墨烯薄膜，后续用鼓泡转移的方法得到高质量均匀少数层石墨烯薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，其特征在于，采用铜镍合金作为生长基底，通过化学气相沉积技术制备出大面积高质量均匀层数的石墨烯薄膜，后续用鼓泡转移的方法得到高质量均匀少数层石墨烯薄膜。2.按照权利要求1所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的生长制备：在化学气相沉积过程中，以铜镍合金作为生长基底，结合铜和镍两种金属生长石墨烯的优势，进而制备出大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜；(2)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的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；(3)鼓泡转移方法：将石墨烯薄膜从铜镍合金基底转移到其他基底，采用鼓泡转移的方法使得铜镍合金基底与石墨烯在电解液中分离，得到高分子聚合物/石墨烯薄膜的复合膜且铜镍合金基底反复使用；(4)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所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，其特征在于，采用的铜镍合金基底厚度为1μm～200μm，纯度为98wt％～99.9999wt％，合金中镍的含量为1wt％～50wt％。4.按照权利要求1或2所述的制备大面积高质量均匀少数层石墨烯薄膜的方法，其特征在于，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...

【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