一种石墨烯薄膜及由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯薄膜及由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的方法。所述方法包括：采用物理气相沉积技术制备石墨烯薄膜前驱体；其中，所述石墨烯薄膜前驱体包括依次形成于基体表面的原位非晶碳层、镍催化层及氧化铝封孔层；以及，在真空条件下，对所述石墨烯薄膜前驱体进行退火处理，制得石墨烯薄膜。本发明专利技术通过原子层沉积的氧化铝封孔层覆盖镍催化层的晶界空隙，控制C的扩散，使C原子在基体上重构原位得到石墨烯，所制备的石墨烯薄膜质量高，均匀性好，同时可以实现大面积制备。同时可以实现大面积制备。同时可以实现大面积制备。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯薄膜及由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的方法


[0001]本专利技术属于新型碳材料
，具体涉及一种石墨烯薄膜及由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯作为一种新型纳米碳材料(在2004年以前，数理学家们认为，从热力学角度分析石墨烯是无法稳定存在，这导致石墨烯一直处于理论研究阶段。直到2004年，英国曼彻斯特大学的科学家Geim和Novoselov使用机械剥离法
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胶带剥离高定向热解石墨
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成功制备了石墨烯，验证了石墨烯可稳定存在)，是一种完全由sp2杂化碳形成的六元环层状二维材料，具有诸多优良特性，如超高载流子迁移率、高热导率、高透光性、高断裂强度等，在生物医学超级电容器、太阳能电池、和高频场效应晶体管等领域具有广阔的应用前景。尤其将石墨烯应用在晶体管以及透明导电薄膜等领域，则必须将其转移到合适的基体上。
[0003]目前转移的方法主要有以聚合物为中介的过渡转移法：包括聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)PMMA转移；聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)PDMS转移等，干法和湿法转移以及工业上可大规模应用的卷对卷转移法。然而对于以PMMA和PDMS等高聚物为中介物转移的方法，转移的薄膜尺寸较小，且转移过程中容易造成石墨烯的褶皱和缺陷的增多；直接干法和湿法转移省去了中介物的过渡环节，可以将石墨烯转移至有机基体上，但仍处于尝试阶段；大规模的卷对卷技术一般应用于Cu催化石墨烯的转移，该方法有望降低石墨烯薄膜的制造成本，将其应用在柔性电子器件领域，替代ITO为代表的传统透明导电薄膜，是转移技术的一大发展方向，然而工艺步骤较为繁多、复杂。目前，研究人员正在积极地探索在目标基体上直接制备石墨烯的方法，从而避免转移步骤中可能引起的杂质以及褶皱。申请号为201180044473.6的专利，专利技术低温生产石墨烯的方法，在金属催化层上通入碳源气体在金属层上产生石墨烯，通过刻蚀金属催化层卷对卷转移到基体上，即存在以中介的过渡转移法。专利201611170148.5中公开了一种石墨烯的制备方法，该方法结合阴极真空电弧沉积技术、结合电子束蒸镀技术，以及真空退火工艺，在Si基体表面沉积得到具有高sp3含量的非晶碳膜(80％以上)，然后在其表面电子束蒸镀催化剂薄膜，最后在450℃～500℃退火使碳元素扩散析出到催化剂薄膜表面，其结构转变为石墨烯结构。专利201810961557.X中公开了一种石墨烯薄膜及其制备方法，其采用物理气相沉积方法在基体上沉积非晶碳膜和在Ni膜，并需要精确控制非晶碳膜中的碳原子与Ni膜的镍原子的个数比为1∶6～1∶3，得到原位生长的石墨烯薄膜。
[0004]然而，上述现有的非晶碳原位转化石墨烯的方法中仍然存在转移或者精确控制成分比例等相对的复杂工艺。因此，提供一种简便快捷的制备石墨烯的方法是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种石墨烯薄膜及由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的
方法，以克服现有技术的不足，即在不转移、不限定碳成键组成、碳镍原子比例的条件下更易原位生成石墨烯的方法。
[0006]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0007]本专利技术实施例提供了一种由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的方法，其包括：
[0008]采用物理气相沉积技术制备石墨烯薄膜前驱体；其中，所述石墨烯薄膜前驱体包括依次形成于基体表面的原位非晶碳层、镍催化层及氧化铝封孔层；
[0009]以及，在真空条件下，对所述石墨烯薄膜前驱体进行退火处理，制得石墨烯薄膜。
[0010]本专利技术实施例还提供了前述的由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的方法制得的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜由三层石墨烯组成。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0012](1)本专利技术提供的方法工艺简单，并且容易实现大面积石墨烯薄膜的均匀制备；
[0013](2)本专利技术利用原位非晶碳层作为固体碳源，使用ALD技术制备纳米级的氧化铝封孔层可对镍催化层的缺陷进行封孔，并有效控制碳源的扩散行为，进而在基体上制备了三层石墨烯的石墨烯薄膜；
[0014](3)本专利技术制备的石墨烯质量高，均匀性好。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是本专利技术一典型实施方案中石墨烯薄膜前驱体的结构示意图；
[0017]图2是本专利技术实施例1中石墨烯薄膜的拉曼数据图；
[0018]图3a
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图3b是本专利技术实施例1中石墨烯薄膜的高分辨透射电镜图；
[0019]图4是本专利技术实施例1中石墨烯薄膜的透过率图；
[0020]图5是本专利技术对比例1中制备的薄膜的拉曼数据图；
[0021]图6是本专利技术对比例2中制备的薄膜的表面形貌图。
具体实施方式
[0022]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]具体的，作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的一种由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的方法包括：
[0024]采用物理气相沉积技术制备石墨烯薄膜前驱体；其中，所述石墨烯薄膜前驱体包括依次形成于基体表面的原位非晶碳层(a
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C层)、镍催化层及氧化铝封孔层；
[0025]以及，在真空条件下，对所述石墨烯薄膜前驱体进行退火处理，制得石墨烯薄膜。
[0026]在一些优选实施方案中，所述石墨烯薄膜前驱体的示意图如图1所示：包括依次形
成于基体表面的原位非晶碳层(即：原位非晶碳层)、镍催化层及氧化铝封孔层。
[0027]具体地，本案专利技术人通过设计制备了原位非晶碳层与镍催化层，并在镍催化层上利用ALD方法制备了一层氧化铝封孔层，构筑了基体/a
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C/Ni/Al2O3(例如SiO2/a
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C/Ni/Al2O3、石英/a
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C/Ni/Al2O3、玻璃/a
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C/Ni/Al2O3体系)，ALD技术能在基体表面沉积致密均一的纳米级厚度薄膜，金属镍催化层采用磁控溅射技术进行制备，为多晶结构，ALD沉积的Al2O3可以对多晶缺陷进行封孔，覆盖Ni的晶界空隙，提高镍催化层的质量，从而阻止C的扩散，进行不同条件下的真空退火热处理，使C原子在基体上重构原位得到石墨烯。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由原位非晶碳转为石墨烯薄膜的方法，其特征在于包括：采用物理气相沉积技术制备石墨烯薄膜前驱体；其中，所述石墨烯薄膜前驱体包括依次形成于基体表面的原位非晶碳层、镍催化层及氧化铝封孔层；以及，在真空条件下，对所述石墨烯薄膜前驱体进行退火处理，制得石墨烯薄膜。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氧化铝封孔层的厚度为0.5～3.0nm；优选为1.0
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1.5nm；和/或，所述氧化铝封孔层至少用于覆盖镍催化层的晶界空隙和控制C的扩散。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述原位非晶碳层的厚度为0.5～3.0nm；优选为1.5
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2.5nm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述镍催化层的厚度为600～800nm；优选为750
‑
800nm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于具体包括：采用磁过滤阴极电弧技术，以惰性气体为工作气体，在基体表面沉积原位非晶碳层；其中，基体偏压为
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50～
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80V，惰性气体的流量为1
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1.5sccm；优选的，所述基体包括硅片、玻璃、石英中的任意一种。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽，王振玉，汪爱英，王愿兵，杨林，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：