大面积多层石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种大面积多层石墨烯及其制备方法，该制备方法包括：提供一基底，基底置于反应腔室；对基底加热并进行退火处理；及通入碳源，于退火处理后的基底上进行化学气相沉积反应生长石墨烯；其中，还包括在化学气相沉积反应时引入水蒸气于反应腔室，生长石墨烯时的压强为20Torr～400Torr。本发明专利技术通过在化学气相沉积生长石墨烯时，精准调控体系压强，并于特定阶段在体系内引入适量水蒸气，实现了大面积多层石墨烯的制备。该方法工艺简单、成本低，所得多层石墨烯具有层数均一、面积大等优势，对于实现多层石墨烯的进一步拓展应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
大面积多层石墨烯及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯
，具体涉及一种大面积多层石墨烯及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由sp2杂化的碳原子以蜂窝状结构排布的单层或少层晶体材料。独特的晶体结构和能带结构赋予了石墨烯众多优异的性质，例如：极高的载流子迁移率，极高的机械强度，高热导率，高透光性、良好的化学稳定性等等。本征的单层石墨烯由于其狄拉克锥型的能带结构，载流子浓度极低，故而导电性并不理想；而多层石墨烯具有不同的能带结构，同时载流子浓度更高、导电性更好，因此在很多场景下，多层石墨烯有着更为广泛的应用前景。化学气相沉积法(CVD)是目前制备高品质石墨烯薄膜的常用方法，石墨烯在Cu衬底上的生长具有自限制效应，其双层或多层石墨烯的生长主要有两种模式：1)在第一层石墨烯上面成核生长第二层石墨烯；2)在第一层石墨烯和基底之间生长第二层石墨烯。在第一种生长模式下，由于第一层石墨烯的覆盖，铜的催化作用大大减弱，其上生长的多层石墨烯品质较低；而在第二种生长模式下，第二层石墨烯虽然可与铜衬底相接触，但第一层石墨烯的存在限制了碳源的供给，从而使得第二层石墨烯的生长速度远慢于第一层，最终无法得到大面积的、层数均匀的多层。因此，发展高效的、适用于批量制备的大面积多层石墨烯的生长方法具有重要意义。需注意的是，前述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本专利技术的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种大面积多层石墨烯及其制备方法，以解决现有方法无法高效、大批量且高质量的制备大面积多层石墨烯的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种大面积多层石墨烯的制备方法，包括：提供一基底，基底置于反应腔室；对基底加热并进行退火处理；及通入碳源，于退火处理后的基底上进行化学气相沉积反应生长石墨烯；其中，还包括在化学气相沉积反应时，引入水蒸气于反应腔室，生长石墨烯时的压强为20Torr～400Torr。根据本专利技术的一个实施方式，水蒸气在反应腔室中的分压为10-2Torr～1Torr。根据本专利技术的一个实施方式，在5Torr～50Torr的压强下进行所述退火处理；退火处理后保持温度不变，通入第一还原性气体和水蒸气于反应腔室，保持1min～300min；保持水蒸气的分压和温度不变，通入第二还原性气体和碳源，进行化学气相沉积反应。根据本专利技术的一个实施方式，第一还原性气体和第二还原性气体均为氢气，碳源气体选自甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、乙醇和丙烷中的一种或多种。根据本专利技术的一个实施方式，通入第二还原性气体和碳源的流量比为100～1000:1。根据本专利技术的一个实施方式，还包括在退火处理中，通入含惰性气体和氧气的混合气于反应腔室，氧气的含量占混合气含量的0.01‰～5‰。根据本专利技术的一个实施方式，基底选自二氧化硅-硅基底、石英、云母、铜箔、镍箔、铜镍合金箔材和碳膜铜网中的一种或多种。根据本专利技术的一个实施方式，基底为高指数晶面的铜箔，基底厚度大于25μm。根据本专利技术的一个实施方式，多层石墨烯的层数为2层～10层，且多层石墨烯的覆盖面积不小于石墨烯总覆盖面积的90％。本专利技术还提供一种大面积多层石墨烯，采用上述方法制备得到。由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的多层石墨烯的制备方法，通过在化学气相沉积生长石墨烯时，精准调控体系压强，并于特定阶段在体系内引入适量水蒸气，可减弱石墨烯与金属基底间的相互作用，同时形成足够多的多层石墨烯的成核位点，使得多层石墨烯的小核能够快速生长拼接，最终，多层石墨烯表现为与上方第一层石墨烯齐头并进、同时生长的生长模式，得到大面积的、层数较为均匀的多层石墨烯。该方法工艺简单、成本低，所得多层石墨烯具有层数均一、面积大等优势，对于实现多层石墨烯的进一步拓展应用具有重要意义。附图说明以下附图用于提供对本专利技术的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。图1为实施例1的多层石墨烯的扫描电镜图；图2为实施例1的多层石墨烯转移至Si/SiO2衬底后的光学显微照片；图3为实施例1的多层石墨烯转移至Si/SiO2衬底后的拉曼光谱图；图4-图6分别示出实施例1的多层石墨烯转移至Si/SiO2衬底后，该区域的光学显微照片、拉曼光谱D峰强度面扫描结果，以及2D峰与G峰强度比值的面扫描结果；图7是实施例2的多层石墨烯转移至Si/SiO2衬底上的光学显微照片。图8是对比例1形成的石墨烯的扫描电子显微图像。图9是对比例2形成的石墨烯的扫描电子显微图像。图10是对比例3形成的石墨烯的扫描电子显微图像。图11是对比例4形成的石墨烯的扫描电子显微图像。具体实施方式以下内容提供了不同的实施例或范例，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。当然，这些仅仅是范例，而非意图限制本专利技术。在本专利技术中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应当被视为在本文中具体公开。本专利技术提供一种大面积多层石墨烯的制备方法，包括：提供一基底，基底置于反应腔室；对基底加热并进行退火处理；及通入碳源，于退火处理后的基底上进行化学气相沉积反应生长石墨烯；其中，还包括在化学气相沉积反应时，引入水蒸气于反应腔室，水蒸气在反应腔室中的分压为10-2Torr～1Torr，例如，10-2Torr、10-1Torr、0.5Torr、0.75Torr、1Torr等。根据本专利技术，多层石墨烯相比于单层石墨烯，载流子浓度更高、导电性更好，然而现有多层石墨烯的制备方法难以实现高效和批量化生产，限制了其应用。本专利技术的专利技术人发现，通过在化学气相沉积法生产石墨烯时，精准调控体系压强，增大体系内的氢气分压，并于特定阶段在体系内引入适量水蒸气，可将石墨烯边缘钝化为氢终止或羟基终止，从而减弱石墨烯边缘与金属基底间的相互作用，同时形成足够多的多层石墨烯的成核位点，使得多层石墨烯的小核能够快速生长拼接。最终，多层石墨烯表现为与上方第一层石墨烯齐头并进、同时生长的生长模式，得到大面积的、层数较为均匀的多层石墨烯。下面具体阐述本专利技术的大面积多层石墨烯的制备过程。首先，提供一基底，将该基底置于反应腔室。一般地，使用前先用氮气枪吹去基底表面可能存在的灰尘和颗粒物，然后水平放置于平整的石墨载具上，并将该石墨载具放入管式炉中。前述的基底可以为二氧化硅-硅基底、石英、云母、铜箔、镍箔、铜镍合金箔材和碳膜铜网中的一种或多种，优选为铜箔、镍箔或铜镍合金箔材。优选地，基底为具有高指数晶面的铜箔，基底厚度大于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大面积多层石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：/n提供一基底，所述基底置于反应腔室；/n对所述基底加热并进行退火处理；及/n通入碳源，于所述退火处理后的基底上进行化学气相沉积反应生长石墨烯；/n其中，还包括在所述化学气相沉积反应时引入水蒸气于所述反应腔室，所述生长石墨烯时的压强为20Torr～400Torr。/n

【技术特征摘要】
1.一种大面积多层石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：
提供一基底，所述基底置于反应腔室；
对所述基底加热并进行退火处理；及
通入碳源，于所述退火处理后的基底上进行化学气相沉积反应生长石墨烯；
其中，还包括在所述化学气相沉积反应时引入水蒸气于所述反应腔室，所述生长石墨烯时的压强为20Torr～400Torr。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水蒸气在所述反应腔室中的分压为10-2Torr～1Torr。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
在5Torr～50Torr的压强下进行所述退火处理；
所述退火处理后保持温度不变，通入第一还原性气体和所述水蒸气于所述反应腔室，保持1min～300min；
保持所述水蒸气的分压和温度不变，通入第二还原性气体和所述碳源，进行所述化学气相沉积反应。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一还原性气体和所述第二还原性气体均为氢气，所述碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠范，陈步航，孙禄钊，李杨立志，丁庆杰，赵振勇，梁宇，王悦晨，刘海洋，
申请(专利权)人：北京石墨烯研究院，北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11