使用化学气相沉积的多层石墨烯及其制造方法技术

公开了一种制造多层石墨烯的方法，所述方法包括：(a)使金属基底与非金属元素接触，(b)通过热处理进行还原，以及(c)在含有非金属元素溶解在其中的金属基底上进行石墨烯前体的化学气相沉积，从而制造在金属基底上掺杂有非金属元素的多层石墨烯。在由此制造的多层石墨烯中，通过控制石墨烯厚度方向上掺杂的非金属元素的浓度，经由与溶解于铜催化剂中的非金属元素的还原和石墨烯的生长有关的相互作用，同时对石墨烯层数和功函数进行调节，此外，石墨烯的堆叠结构得以保持，并且可通过在合成过程中同时对石墨烯的生长和掺杂进行调节，来对多层石墨烯的光电性质进行控制，而无需额外的处理。

Multilayer graphene by chemical vapor deposition and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
使用化学气相沉积的多层石墨烯及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求基于2018年9月11日提交的韩国专利申请No.10-2018-0108396的优先权，出于所有目的将其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术介绍
1.
本专利技术涉及一种制造多层石墨烯的方法，更具体地涉及制造以下多层石墨烯的方法，其中，通过使用含有非金属元素溶解在其中的铜作为催化剂，经化学气相沉积合成具有内部电势的多层石墨烯，从而同时对石墨烯的生长和掺杂进行控制，进而控制多层石墨烯的光电性能。2.相关技术的描述石墨烯是一种二维碳同位素，具有优异的性能，如高电荷迁移率、高导热率和高柔韧性。多层石墨烯能够保持单层石墨烯的优异性能，并且同时具有取决于石墨烯的堆叠顺序及其层数的各种能带结构(电子结构)。特别地，单层石墨烯无带隙，但是当垂直向其施加电场时，多层石墨烯具有带隙。具体地，可基于多层石墨烯的层之间的静电能差异对石墨烯的能带结构进行控制。正在进行深入的研究，以利用可控的带结构将具有上述优点的多层石墨烯应用于各种光电器件。尽管多层石墨烯具有优点，但制造具有所需能带结构的多层石墨烯的方法难以实施，因此其在光电器件中的实际应用受到限制。迄今为止试图对多层石墨烯的带结构进行控制的最有用的方法是使用双栅极场效应晶体管，但是这种方法不适用于复杂的基于石墨烯的器件结构。作为其替代方案，已经进行了许多尝试，以在石墨烯合成之后通过化学掺杂对带结构进行控制。然而，在控制每层掺杂程度的过程中存在不能保持石墨烯堆叠结构的问题。此外，为了对带隙进行调整，正在研究伯纳尔堆叠石墨烯(Bernal-stackedgraphene)。伯纳尔堆叠石墨烯具有根据外部电场而变化的带隙，但因为具有受控石墨烯结构的多层石墨烯无法通过化学气相沉积来制造而存在问题。因此，需要一种制造多层石墨烯的方法，其能够对石墨烯的光电性能进行控制，同时使得可以合成多层石墨烯，其中，在合成过程中同时对掺杂和厚度进行控制而无需额外的处理。
技术实现思路
因此，本专利技术已经考虑到相关技术中遇到的问题，并且本专利技术的目的是提供具有内部电位的伯纳尔堆叠多层石墨烯，使用含有非金属元素溶解在其中的铜作为催化剂，经化学气相沉积来制造所述多层石墨烯。本专利技术的另一个目的是提供多层石墨烯，其中，通过在石墨烯厚度方向上控制非金属元素(用其对石墨烯进行掺杂)的浓度，经由与溶解在铜催化剂中的非金属元素的还原和石墨烯的生长有关的相互作用，同时对石墨烯的层数和功函数进行调节。本专利技术的另一目的是提供一种制造多层石墨烯的方法，其中，石墨烯的堆叠结构得以保持，并且可以通过在合成过程中同时对石墨烯的生长和掺杂进行调节，来控制多层石墨烯的光电性能，而无需额外的处理。本专利技术的一个方面提供一种制造多层石墨烯的方法，所述包括：(a)使金属基底与非金属元素接触，从而形成吸附至金属基底表面上的非金属元素、溶解在金属基底表面中的非金属元素和/或在金属基底表面上与非金属元素反应的金属化合物；(b)对吸附至金属基底表面的非金属元素、溶解在金属基底表面中的非金属元素和/或与非金属元素反应的金属化合物进行热处理，从而使吸附至金属基底表面的非金属元素、溶解在金属基底表面中的非金属元素和/或通过金属化合物的还原形成的非金属元素溶解在金属基底的内部；以及(c)在含有非金属元素溶解在其中的金属基底上，使石墨烯前体经受化学气相沉积，从而制造在金属基底上掺杂有非金属元素的多层石墨烯。多层石墨烯可以是伯纳尔堆叠的。多层石墨烯的层数可以是1至20中的任何一个。可使非金属元素物理吸附或化学键合至多层石墨烯。多层石墨烯可被配置为使得在其厚度方向上形成非金属元素的浓度梯度。非金属元素的浓度梯度能够以如下方式形成：其中，多层石墨烯越接近金属基底，非金属元素的浓度越低。可通过对非金属元素的浓度梯度进行控制，来调节多层石墨烯的功函数和/或带隙。非金属元素可包括选自于硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)、硼(B)、磷(P)和氮(N)中的至少一种。在步骤(a)中，可对使金属基底与非金属元素接触所需的温度和/或时间进行调节，从而控制吸附至金属基底表面的非金属元素的量、和/或溶解在金属基底中的非金属元素的量、在金属基底表面上形成的金属化合物的量。步骤(a)可在20℃至500℃的温度下进行1秒至3600秒。金属基底的金属可包括选自于铜、镍、锌、锡、银、金、铂、钯、铁、钴以及它们的合金中的至少一种。金属化合物可包括选自于如下的至少一种：硫化铜、硫化银、硫化金、硫化铂、硫化镍、硫化锌、硫化钯、硫化铁、硫化钴、硫化锡、硒化铜、硒化银、硒化金、硒化铂、硒化镍、硒化锌、硒化钯、硒化铁、硒化钴、硒化锡、氮化铜、氮化银、氮化锌、氮化镍、氮化金、氮化铂、氮化钯、氮化铁、氮化钴、氮化锡、磷化铜、磷化镍、磷化锌、磷化钯、磷化银、磷化金、磷化铂、磷化铁、磷化钴、磷化锡、碲化铜、碲化银、碲化金、碲化铂、碲化镍、碲化锌、碲化钯、碲化铁、碲化钴、碲化锡、硼化铜、硼化银、硼化金、硼化铂、硼化镍、硼化锌、硼化钯、硼化铁、硼化钴、硼化锡，以及金属合金的氮化物、磷化物、硫化物、硒化物、碲化物和硼化物。在步骤(b)中，可通过热处理进行与非金属元素反应的金属化合物的还原。因此，热处理可在500℃至2,000℃的温度下进行。在步骤(c)中，可使溶解在金属基底的内部的非金属元素物理吸附或化学键合至多层石墨烯，因此可形成多层石墨烯，所述多层石墨烯掺杂有非金属元素，并且是伯纳尔堆叠的。石墨烯前体可以是烃化合物。烃化合物可包括选自于由以下所组成的组中的至少一种：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、苯、乙醇、甲醇、异丙醇、1,2,3,4-四苯基萘(1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene，TPN)、蒽(anthracene)、芘(pyrene)、萘、荧蒽(fluoranthene)、六苯基苯(hexaphenylbenzene)、四苯基环戊二烯酮(tetraphenylcyclopentadienone)、二苯乙炔、苯乙炔、三蝶烯(triptycene)、并四苯(tetracene)、(chrysene)、苯并菲(triphenylene)、蔻(coronene)、并五苯(pentacene)、碗烯(corannulene)和卵烯(ovalene)。化学气相沉积可在600℃至1,200℃的温度下进行。化学气相沉积可通过选自于由以下组成的组中的任一种方法进行：低压化学气相沉积、常压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、焦耳加热化学气相沉积(Joule-heatingchemicalvapordeposition)和微波化学气相沉积。本专利技术的另一方面提供了通过上述方法制造的多层石墨烯。根据本专利技术，可使用含有硫溶解在其中的铜作为催化剂，经化学气相沉积来制造具有内部电位的伯纳尔堆叠的多层石墨烯。此外，本专利技术能够制造多层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造多层石墨烯的方法，所述方法包括：/n(a)使金属基底与非金属元素接触，从而形成吸附至所述金属基底的表面的非金属元素、溶解在所述金属基底的表面中的非金属元素和/或在所述金属基底的表面上与所述非金属元素反应的金属化合物；/n(b)对所述吸附至所述金属基底的表面的非金属元素、溶解在所述金属基底的表面中的非金属元素和/或与所述非金属元素反应的金属化合物进行热处理，从而使所述吸附至所述金属基底的表面的非金属元素、溶解在所述金属基底表面中的非金属元素和/或通过所述金属化合物的还原形成的非金属元素溶解在所述金属基底的内部；以及/n(c)在上述含有非金属元素溶解在其中的金属基底上，使石墨烯前体经受化学气相沉积，从而制造在所述金属基底上掺杂有所述非金属元素的多层石墨烯。/n

【技术特征摘要】
20180911 KR 10-2018-01083961.一种制造多层石墨烯的方法，所述方法包括：
(a)使金属基底与非金属元素接触，从而形成吸附至所述金属基底的表面的非金属元素、溶解在所述金属基底的表面中的非金属元素和/或在所述金属基底的表面上与所述非金属元素反应的金属化合物；
(b)对所述吸附至所述金属基底的表面的非金属元素、溶解在所述金属基底的表面中的非金属元素和/或与所述非金属元素反应的金属化合物进行热处理，从而使所述吸附至所述金属基底的表面的非金属元素、溶解在所述金属基底表面中的非金属元素和/或通过所述金属化合物的还原形成的非金属元素溶解在所述金属基底的内部；以及
(c)在上述含有非金属元素溶解在其中的金属基底上，使石墨烯前体经受化学气相沉积，从而制造在所述金属基底上掺杂有所述非金属元素的多层石墨烯。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多层石墨烯是伯纳尔堆叠的。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多层石墨烯的层数是1至20中的任何一个。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述非金属元素物理吸附或化学键合至所述多层石墨烯。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多层石墨烯被配置为使得在其厚度方向上形成所述非金属元素的浓度梯度。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非金属元素的浓度梯度以如下方式形成：其中，所述多层石墨烯越接近所述金属基底，所述非金属元素的浓度越低。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对所述非金属元素的浓度梯度进行控制，来调节所述多层石墨烯的功函数和/或带隙。


8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非金属元素包括选自于硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)、硼(B)、磷(P)和氮(N)中的至少一种。


9.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)中，对使所述金属基底与所述非金属元素接触所需的温度和/或时间进行调节，从而控制所述吸附至所述金属基底表面的非金属元素的量、和/或溶解在所述金属基底中的非金属元素的量、在所述金属基底表面上形成的所述金属化合物的量。


10.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)在20℃至500℃的温度下进行1秒至3600秒。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵吉元，俞敏硕，李晓粲，
申请(专利权)人：纳米基盘柔软电子素子研究团，浦项工科大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR