冷腔壁条件下化学气相沉积制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种冷腔壁条件下化学气相沉积制备石墨烯的方法，其具体步骤如下：１）将衬底放置在具有循环水冷却的密闭腔体中，腔壁的温度控制为室温至１００℃；２）通入载气并加热衬底；３）持续通入含碳源气体５秒至３０分钟；４）衬底冷却后，衬底表面可生成石墨烯。相比较目前广泛使用的热腔壁化学气相沉积法，冷腔壁化学气相沉积法加热区域只限制在衬底部位，而腔体的其他部位得到冷却，可以减少含碳源气体分解量和精确控制石墨烯的生长厚度，以至碳能够以单原子层的形式沉积在衬底表面生成单层石墨烯。本发明专利技术制备的石墨烯具有均匀性好，面积大，缺陷少，导电性能优异，机械性能好等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种石墨烯的制备方法，更具体地说是在冷腔壁条件下利用化学气相 沉积直接制备石墨烯的一种方法。
技术介绍
石墨烯，一种新型的具有二维碳纳米结构的材料，由于其具有独特的纳米结构，在 宏观上显示出极好的热学性能、机械性能和电学性能，最近几年已成为科学上的一个研究 热点1。石墨烯所表现出来的优异性能使其具有广泛的应用前景，如显示器、太阳能电池和 超级电容等2。然而，生长大面积，高质量的石墨烯还具有一定困难，导致这种材料没有达 到工业化应用要求。目前国内外石墨烯制备方法有石墨的氧化还原法3、碳化硅的硅升华法4、微机 械剥离石墨法5和化学气相沉积法6。其中石墨的氧化还原法，很难得到大面积高质量单 层石墨烯；硅升华法需要很高的温度和真空度；微机械剥离石墨法只能得到微纳尺度大小 的石墨烯片，很难达到工业上大面积的应用要求。化学气相沉积法制备的石墨烯面积大，质 量高，可作为电子器件的透明电极，最具有工业化应用前景。目前化学气相沉积法制备石墨 烯多采用热壁法，即石墨烯的合成发生在石英管式炉中7_1°，热腔壁会导致加热区域面积 增大，从而造成更多含碳源气体分解，不利于合成高质量的石墨烯；其次含碳源气体在热壁 附近分解成的碳吸附在热壁上形成碳颗粒，碳颗粒落在生长石墨烯的衬底表面，对石墨烯 的生长质量造成影响。冷腔壁化学气相沉积法加热区域只限制在衬底部位，而腔体的其他 部位得到冷却，可以减少含碳源气体分解量和精确控制石墨烯生长，以至碳能够以单原子 层的形式沉积在衬底表面生成高质量的石墨烯。参考文献Matthew J. Allen, Vincent C. Tung, Richard B. Kaner, 2010 Chem. Rev.110132-145. · A. K. Geim, K. S. Novoselov, 2007 Nature Mater. 6183-191.. Cristina Go ' mez-Navarro, R. Thomas Weitz, Alexander M. Bittner, MatteoScolari, Alf Mews, Marko Burghard, Klaus Kern,2007 Nano lett.113499-3503.. C. Virojanadara, M. Syvajarvi, R. Yakimova, L. I. Johansson, A. A. Zakharov, T. Balasubramanian,2008 Phys. Rev. B78245403. .Sasha Stankovich,Dmitriy A. Dikin,Richard D. Piner,Kevin A. Kohlhaas, Alfred Kleinhammes, Yuanyuan Jia, Yue Wu, SonBinh T. Nguyen, Rodney S. Ruoff, 2007Carbon 451558-1565..Sukang Bae,Hyeongkeun Kim,Youngbin Lee,Xiangfan Xu,Jae-Sung Park, YiZheng, Jayakumar Balakrishnan, Tian Lei, Hye Ri Kim, Young Il Song, Young-Jin Kim, Kwang S. Kim, Barbaros Ozyilmaz, Jong-Hyun Ahn, Byung Hee Hong, Sumio Iijima, 2010Nat. Nanotechnol. 5574—578.. Qingkai Yu, Jie Lian, Sujitra Siriponglert, Hao Li, Yong P. Chen, Shin-Shem Pei,2008Appl. Phys. Lett. 93 113103.. Xuesong Li, Yanwu Zhu, Weiwei Cai, Mark Borysiak, Boyang Han, David Chen, Richard D. Piner, Luigi Colombo, Rodney S. Ruoff,2009 Nano Lett. 9 4359-4363.. Alfonso Reina, Stefan Thiele, Xiaoting Jia, Sreekar Bhaviripudi, Mildred S. Dresselhaus, Juergen A. Schaefer, Jing Kong,2009Nano Res. 2 509-516.· Hye Jin Park, Jannik Meyer, Siegmar Roth, Viera Ska' kalova' ,2010 Carbon 481088-1094.
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种工艺简单，耗时少，效率高，能耗少，在冷腔壁条件 下，利用化学气相沉积实现石墨烯大面积，高质量的生长方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现，其具体步骤如下1)将衬底放置 在具有循环水冷却的密闭腔体中，腔壁的温度控制为室温至100°C ；2)通入载气并加热衬 底；3)持续通入含碳源气体5秒至30分钟；4)衬底冷却后，衬底表面可生成石墨烯。所述的密闭腔体处于负压状态，压强为0. 00001 750Torr。所述的衬底温度加热至300°C 1100°C，不同气体、不同衬底材料所要求的衬底 温度不同，如乙炔所需要的衬底温度为800°C，氧化镁衬底所需要的衬底温度为325°C。所述的载气为氩气，氦气和氮气中的一种。步骤2)中还可以通入还原性气体，所 述的还原性气体为氢气。所述的含碳源气体为甲烷，乙烯，乙炔等有机物。含碳源气体流量可以占气体总流 量的0. 50%，含碳源气体的比例不同，所得到石墨烯的质量不同。持续通入含碳源气 体5秒 30分钟，由于石墨烯的自限制生长机理，如再延长通入含碳源气体的时间，不会影 响到石墨烯的生长。所述的衬底材料为过渡金属，为铁，钴，镍，铜，钼，铜镍合金和铁钼合金中的一种。所述的衬底材料为氧化镁、氧化铝、氧化铁和氧化锆中一种。步骤4)中，所述的衬底降温速率为1 600°C /min,降温速率不同，所得到的石墨 烯的质量不同。冷腔壁条件下化学气相沉积制备石墨烯的专用设备，包括带有循环水冷系统的 密闭腔体；置于密闭腔体中放置衬底材料的加热台；密闭腔体上分别设置有进气口和排气 口 ；进气口通过阀门、流量计和输气管分别与载气、还原性气体和含碳源气体容器连通；排 气口通过真空计、节流阀和输气管与真空泵连通。本专利技术其原理是化学气相沉积法，含碳源气体在高温条件下分解成碳，碳沉积或 溶解在衬底表面，衬底冷却后，衬底表面生成石墨烯。相比较目前广泛使用的热腔壁化学气 相沉积法，冷腔壁化学气相沉积法加热区域只限制在衬底部位，而腔体的其他部位得到冷 却，可以减少含碳源气体分解量和精确控制石墨烯的生长厚度，以至碳能够以单原子层的 形式沉积在衬底表面生成单层石墨烯。本专利技术制备的石墨烯具有均勻性好，面积大，缺陷 少，导电性能优异，机械性能好等优点。附图说明图1为本专利技术冷腔壁化学气相沉积设备示意图；(图中箭头方向为液体或气体的 流动方向)图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
冷腔壁条件下化学气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于：其具体步骤如下：１）将衬底放置在具有循环水冷却的密闭腔体中，腔壁的温度控制为室温至１００℃；２）通入载气并加热衬底；３）持续通入含碳源气体５秒至３０分钟；４）衬底冷却后，衬底表面可生成石墨烯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄磊，常全鸿，纪乐春，刘洋，郭桂略，王涛，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]