一种石墨烯膜及石墨烯复合碳膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种静电喷雾和热处理法在硅基板表面制备石墨烯膜及无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜的制备方法，属半导体薄膜制备工艺技术领域。本发明专利技术方法的特点是以液相超声剥离法获得石墨烯分散液，以此分散液为基液可以制备出不同的静电喷雾的前驱液。然后以硅基板为衬底，利用静电喷雾和基板加热法电喷雾沉积出石墨烯膜及无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜，在空气或真空中进一步的干燥和热处理后得到石墨烯膜及复合碳膜。本发明专利技术方法的优点是制膜温度低、设备价格低以及制备工艺简单，制得的薄膜具有附着性较好及多孔的特性且具有良好电学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，更具体的说，是一种静电喷雾和热处理在硅基板表面制备石墨烯膜及无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜的制备方法。属半导体薄膜制备工艺

技术介绍
石墨烯是一种只有单层原子厚度，具有蜂窝结构的二维碳原子晶体的碳质材料。 石墨烯具有优异的电学性能(室温电子迁移率可达200000 cm2 V—1 S—1)，热力学性能(导热率达5000 WnT1IT1)、机械性能(杨氏模量为1100 GPa，断裂强度为125 GPa)，以及特殊的量子霍尔效应和量子遂穿效应等物理性质，使其有望成为制备下一代微电子器件的新材料， 在催化、锂电池、探测器等方面具有良好的应用前景。静电喷雾和基板加热法制备以硅衬底为基板的薄膜所要求的设备较为简单，可以大面积生长，便于加工。因此用石墨烯膜及无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜制成的微电子器件将有着非常广阔的潜在应用价值。目前石墨烯膜的制备主要有CVD法和外延法。这两种方法所使用设备昂贵及原料成本较高。静电喷雾法是溶胶-凝胶技术和静电喷雾相结合应用于制备膜的一种典型方法。我们初步的研究发现，通过静电喷雾和基板加热法制备的膜和基板附着性较好及具有多孔的特性，有望获得较高的比表面积和较好的电学性能。相对于其他方法，静电喷雾和基板加热法具有制膜温度低、均勻性较好、设备价格低等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种静电喷雾结合基板加热工艺制备石墨烯及石墨烯复合碳膜的制备方法，后者是石墨烯复合碳膜即是由无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜。本专利技术主要以石墨粉、1-甲基-2-吡咯烷酮和聚丙烯腈为原料，采用静电喷雾结合基板加热工艺制备石墨烯及石墨烯复合半导体碳膜。本专利技术为一种石墨烯及石墨烯复合半导体膜的制备方法，其特征在于以下的制备过程和步骤(一)前驱体溶液的配制(a)将一定量石墨粉分散于1-甲基-2-吡咯烷酮中，配制成浓度为0.03 g/ml溶液以(b)取上述溶液100ml，在室温经低功率超声清洗器超声78 h得到石墨烯分散液；(c)将上述分散液经过12h静置沉淀后，再经过离心得到稳定分散的石墨烯分散液， 标记为前驱体液A，保存备用；(d)另外，按照所需掺杂浓度加入适量的聚丙烯腈到上述的石墨烯分散液中，搅拌约5 h后得到的溶液标记为前躯体溶液B ；(二)硅片的清洗先用乙酸乙脂将带有氧化层的硅片漂洗30 min，之后在丙酮中浸泡30 min，然后先后用乙醇、水超声清洗10 min后取出来，在红外灯下烘烤10 min左右。可获得干净的可供使用的带有氧化层的硅片； (三)膜的成型(a)石墨烯膜将上述前驱体溶液A用注射器吸取5ml放在微注射泵上，调节液体流速使前驱液均勻喷雾沉积在硅片衬底上；硅片衬底放在热板上加热，温度控制在200 ° C 左右，经过约30 h的电喷雾沉积形成膜；根据所需薄膜厚度，可以控制上述操作的电喷雾时间；将电喷膜置于马弗炉中在200 ° C温度下热处理并保温6 h;然后在空气中自然冷却，最终获得发达多孔且与硅基板附着性良好、无序石墨烯堆积在硅基板上的石墨烯膜；(b)石墨烯复合碳膜将上述前驱体溶液B用注射器吸取5ml放在微注射泵上，调节液体流速使前驱液均勻喷雾沉积在硅片衬底上；硅片衬底放在热板上加热，温度控制在 200 ° C左右，经过约30 h的电喷雾沉积形成膜；根据所需薄膜厚度，可以控制上述操作的电喷雾时间；将电喷膜置于真空炉中在1000 ° C温度下碳化处理并保温2 h;最终获得发达多孔的膜且与硅基板附着性良好的无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜。本专利技术所述石墨烯及石墨烯复合半导体碳膜具有以下特点(1)使用本方法成功地制备出了较均勻、连续的多孔石墨烯膜及石墨烯复合碳膜。石墨烯膜是无序的石墨烯堆积在基板上具有疏松多孔的特性，而无定形碳包裹石墨烯的石墨烯复合碳膜具有较致密和优异的电学特性。(2)使用本方法制备出的石墨烯膜及石墨烯复合膜的石墨烯尺寸大小约为 100-500 nm，电喷雾70 h时其薄膜厚度为30 60 μ m，使用综合物性测量系统(PPMS -T)的四探针技术来测量电阻，长条形样品(10 mmX5 mm,电极为Pt丝电极)，石墨烯膜和无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜的电阻分别为7280.01 Ohms.O. 86 Ohms0(3)本工艺可以方便地实现石墨烯在硅衬底上形成石墨烯膜和无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜，从而满足石墨烯材料在微电子器件上的应用。(4)使用本方法在操作上非常简单，合成温度低、较均勻、设备价格低、环保等优点ο附图说明图1为本专利技术石墨烯在NMPd-甲基-2-吡咯烷酮)溶液中稳定分散的透射电子显微镜(TEM)照片图。图2为本专利技术中经过热处理后膜的断面和表面扫描电镜(SEM)照片图。图3为本专利技术石墨烯膜、无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜和原始石墨粉的拉曼光谱拉曼分析图。图4为石墨烯膜和无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜电阻随温度变化图。 具体实施例方式现将本专利技术的具体实施例详述于后实施例1制备石墨烯膜硅片的清洗先用乙酸乙脂将带有氧化层的硅片漂洗30 min，之后在丙酮中浸泡30min，然后先后用乙醇、水超声清洗10 min后取出来，在红外灯下烘烤10 min左右。可获得干净的可供使用的带有氧化层的N型掺杂的硅片。将3. 0 g石墨粉末加入到100 ml的1_甲基_2_吡咯烷酮中，在室温下经低功率超声清洗器超声78 h后得到分散液(额定输出功率100 W)。随后加将上述所制备出的分散液经过12 h静置沉淀后，再经过离心即可得到稳定分散的石墨烯分散液保存备用。将上述制备的石墨烯分散液为前驱液，以N型掺杂硅片为衬底(带有300 nm SiO2 氧化层)；静电喷雾所用喷嘴内径为0.6 mm，喷嘴针尖与衬底距离约7 cm，液体流速0. 2 1111/11，在直流电压8.6 kV条件下电喷雾沉积得到石墨烯膜，硅片衬底温度控制在200 ° C 左右.经过约30 h的电喷雾沉积形成石墨烯膜，然后在200 ° C的空气中经6 h的干燥处理使溶剂进一步挥发，即获得所需要的石墨烯膜。实施例2 制备石墨烯复合膜硅片的清洗先用乙酸乙脂将带有氧化层的硅片漂洗30 min，之后在丙酮中浸泡30 min，然后先后用乙醇、水超声清洗10 min后取出来，在红外灯下烘烤10 min左右。可获得干净的可供使用的带有氧化层的N型掺杂的硅片。将3. 0 g石墨粉末加入到100 ml的1_甲基_2_吡咯烷酮中，在室温下经低功率超声清洗器超声78 h后得到分散液(额定输出功率100 W)。随后加将上述所制备出的分散液经过12 h静置沉淀后，再经过离心即可得到稳定分散的石墨烯分散液保存备用。取上述石墨烯分散液10 ml，按照所需掺杂浓度加入0.6 mg的聚丙烯腈到石墨烯中，搅拌约3 h 后即可得所需的前躯体溶液。以上述制备的前躯体溶液为电喷液。以N型掺杂硅片为衬底(带有300 nm SiO2氧化层)，静电喷雾所用喷嘴内径为0.6 mm，喷嘴针尖与衬底距离约7 cm，液体流速0.2 ml/h, 在直流电压8.6 k V条件下电喷雾沉积得到石墨烯膜，衬底温度控制在200 ° C左右。经过约30 h的电喷雾沉积形成石墨烯膜，然后在1000 ° C的真空中经2 h的碳化处理，即获得所需要的无定形碳包裹石墨烯的复合碳膜。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈礼清，张兆春，李建林，周健刚，陈锦涛，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：