批量制备石墨烯薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种批量制备石墨烯薄膜的方法，包括如下步骤：R1，将衬底与隔层相互交叠放置，形成叠层结构；R2，使用化学气相沉积法(CVD)生长石墨烯薄膜。通过对隔层材料种类及结构进行合理设计，既可避免高温下相邻衬底间的粘连，也可促进前驱体在衬底表面的扩散与传质。生长得到的各层石墨烯畴区直径可达几百微米，且具有较高的结晶质量。为进一步提升石墨烯的生长速度，可在R1步骤前在叠层结构表面实现催化剂的负载。通过催化剂的助催化，进一步加快衬底表面石墨烯的生长。这一方法的使用，可同时兼顾石墨烯的生长速度与单批产能，进而为石墨烯薄膜的批量制备提供了一条新的途径。为石墨烯薄膜的批量制备提供了一条新的途径。为石墨烯薄膜的批量制备提供了一条新的途径。

【技术实现步骤摘要】
批量制备石墨烯薄膜的方法


[0001]本专利技术属于材料制备领域，具体涉及一种批量制备石墨烯薄膜的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种由碳原子经sp2杂化形成的二维原子晶体，具有优异的电学、光学和力学性质，受到科学界和产业界的特别关注。制备决定未来，高品质石墨烯材料的制备是石墨烯得以物尽其用的前提。在目前的多种制备方法中，化学气相沉积法(CVD)可以生长得到大面积、高质量的石墨烯薄膜，并且具有批量制备的潜力。按照生长制程划分，CVD制备石墨烯薄膜可分为静态批次制程和动态卷对卷制程两类。相较于装备结构复杂的卷对卷制程，静态批次制程只需使用普通CVD管式炉，且更易对石墨烯的生长进行调控，实现石墨烯薄膜的高质量生长。

技术实现思路

[0003]对于静态批次制程而言，可以通过铜箔的有效堆叠、卷绕等方式，克服CVD石英管管径对铜箔衬底尺寸的限制，增加石墨烯薄膜的产能。因此，石墨烯薄膜的静态批次CVD生长是一项值得探索研究的课题。这一过程中有两个问题需要解决：1)如何避免处于堆叠与卷绕状态的铜箔在高温下的软化与层间粘连问题；2)处于堆叠与卷绕状态下的铜箔层间距往往较小，如何有效促进碳源在间距中的传质，维持石墨烯一定的生长速度。
[0004]为了解决上述问题，提供一种批量制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
[0005]R1，将衬底与隔层相互交叠放置，形成叠层结构；
[0006]R2，使用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜。
[0007]根据本专利技术一实施方式，在所述R2步骤中，按照能量供给方式划分，化学气相沉积法(CVD)的类型可以是热壁化学气相沉积(HWCVD)、冷壁化学气相沉积(CWCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)；按照体系压力划分，可以是低压化学气相沉积(LPCVD)和常压化学气相沉积(APCVD)。
[0008]根据本专利技术一实施方式，在所述R2步骤中，所用还原性气体为氢气，用于退火的惰性气体为氩气，所用碳源为甲烷、乙炔、乙烯、甲醇、乙醇中的一种或多种。
[0009]根据本专利技术的另一实施方式，在所述R2步骤中，所述惰性气体的流量为20～2000sccm，还原性气体氢气的流量为20～2000sccm；石墨烯生长过程中所述还原性气体与碳源气体的流量比为10～2000。
[0010]根据本专利技术一实施方式，衬底与隔层间的堆叠方式是水平堆叠或卷绕堆叠，优选为水平堆叠结构，衬底或隔层的层数可介于1～20层之间。
[0011]根据本专利技术一实施方式，隔层为多孔非金属网状材料，隔层的厚度介于微米至毫米尺寸之间。
[0012]根据本专利技术一实施方式，多孔非金属网状材料为碳纤维纸或碳纤维布。
[0013]优选地，所述多孔非金属网状材料为碳纤维纸。
[0014]优选地，所述碳纤维纸的厚度为0.1～0.5mm，进一步优选地，所述碳纤维纸的厚度为约0.2mm。
[0015]根据本专利技术一实施方式，多孔非金属网状材料负载有金属催化剂。
[0016]根据本专利技术一实施方式，金属催化剂为过渡金属催化剂，所述过渡金属为Cu、Ni、Pt、Co中的一种或多种，优选为Ni。
[0017]根据本专利技术一实施方式，所述金属催化剂负载于所述多孔非金属网状材料的方法为电化学沉积。
[0018]根据本专利技术一实施方式，以镍为例，采用电化学沉积的方法将所述金属催化剂负载于所述多孔非金属网状材料的步骤具体为：一定浓度的无机镍盐作为电解液中的溶质，金属镍片作为阳极，碳纸作为阴极，通过镍元素在阴极(碳纸)上的沉积，即可实现金属镍的负载；当电流密度一定时，可根据负载质量分数的要求，选择不同的负载时间；负载后的碳纸经过水洗与吹干或烤干，即可作为后续石墨烯生长的隔层。
[0019]根据本专利技术一实施方式，所述衬底为含有过渡金属元素的金属衬底或绝缘衬底。
[0020]所述过渡金属元素为铜、镍、铂、钴中的一种或多种；
[0021]所述绝缘衬底为石英、蓝宝石、塑料、云母、二氧化硅
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硅中的一种或多种。
[0022]优选地，所述衬底为铜箔。
[0023]优选地，所述铜箔的厚度为10～100μm，进一步优选地，所述铜箔的厚度为约26μm。
[0024]根据本专利技术一实施方式，生长得到的石墨烯薄膜既包括单层石墨烯，也包括层数为2
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10层的多层石墨烯。
[0025]有益效果：
[0026]本专利技术中所提及的这一批量制备石墨烯的方法，其核心在于隔层材料种类的选择与结构的设计。以碳纤维构成的碳纸与碳布，在石墨烯生长相应的温度与气氛下具有较好热稳定性与化学稳定性，并且与铜的浸润性很差，因此可充分避免高温下与铜箔间的粘连。碳纸和和碳布的另一大优点在于，它们分别通过造纸工艺与织布工艺制作而成，体相内分布有大量的孔洞。这些孔洞既可为气相传质提供天然通道，同时也可作为催化剂负载的衬底，对石墨烯的生长起到催化作用，使各层石墨烯仍可维持一定的生长速度。通过在隔层材料负载金属催化剂，可以提升生长得到的石墨烯薄膜的覆盖度，且随着金属含量的增加，覆盖度也随之提升。利用这种方法，可以有效兼顾石墨烯的生长速度与产能，从而为石墨烯薄膜的批量制备提供了一条新的途径。
附图说明
[0027]通过参照附图详细描述其示例实施方式，本专利技术的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
[0028]图1是本专利技术中所描述的铜箔
‑
碳纸隔层结构的示意图。
[0029]图2是碳纸的正面与截面扫描电镜照片。
[0030]图3是负载有不同质量分数镍颗粒碳纸的实物图与典型光学显微镜照片。
[0031]图4为实施例1的方法得到的第1，3，5层石墨烯的典型扫描电镜照片。
[0032]图5为实施例1的方法得到的各层石墨烯转移后的典型拉曼单谱图与拉曼I
D
/I
G
分布。
[0033]图6是实施例1的方法得到的第1，3，5层石墨烯层内平均覆盖度随生长时间的关系。
[0034]图7是当生长条件一定时，分别使用普通碳纸和负载镍颗粒后的碳纸做隔层，生长得到石墨烯的光学照片。
具体实施方式
[0035]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
[0036]本专利技术提供一种批量制备石墨烯薄膜的方法，主要包括如下步骤：R1，将衬底与隔层交叠放置，形成叠层结构；R2，使用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜。
[0037]在本专利技术中，生长得到的石墨烯薄膜既包括单层石墨烯，也包括堆叠2
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10层的多层石墨烯。
[0038]在R1步骤中，隔层为碳纤维纸，碳纤维布等多孔非金属网状材料；隔层的厚度可介于微米至毫米尺寸之间。
[0039]在R1步骤中，所使用的多孔非金属网状材料可以是商业途径直接获得的原始材料，也可是经本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：R1，将衬底与隔层相互交叠放置，形成叠层结构；R2，使用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述R1步骤中，所述衬底与所述隔层间的堆叠方式是水平堆叠或卷绕堆叠，优选为水平堆叠结构；衬底或隔层的层数可介于1～20层之间。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述隔层为多孔非金属网状材料，隔层的厚度介于微米至毫米尺寸之间。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多孔非金属网状材料为碳纤维纸或碳纤维布；优选地，所述多孔非金属网状材料为碳纤维纸；优选地，所述碳纤维纸的厚度为0.1～0.5mm，进一步优选地，所述碳纤维纸的厚度为0.2mm。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述多孔非金属网状材料负载有金属催化剂。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述金属催化剂为过渡金属催化剂，所述过渡金属为Cu、Ni、Pt、Co中的一种或多种，优选为Ni。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述金属催化剂负载于所述多孔非金属网状材料的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠范，孙禄钊，马子腾，陈恒，李勤，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：