多元衬底、基于多元衬底的层数连续可调的石墨烯、及其制备方法技术

本发明专利技术涉及多元衬底、基于多元衬底的层数连续可调的石墨烯、及其制备方法，提供了一种用于层数连续可调的石墨烯的多元衬底，它包括：金属基底，所述金属基底为低溶碳金属M1，或者低溶碳金属M1与高溶碳金属M2的合金M11-x+M2x，式中0＜x＜0.5；采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法覆盖在所述金属基底上的金属薄膜，所述金属薄膜为至少一层高溶碳金属M2，或者低溶碳金属M1与高溶碳金属M2的合金M11-x+M2x，式中1＞x＞0.5；其中，M1为Cu，M2选自Ru、Ti、Zr、Nb、Ta、Fe、Co、Ni、V、Rh、Pd、Co、lr、Pt、Mo、W、Zn或其组合。还提供了基于该多元衬底的层数连续可调的石墨烯，以及它们的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨烯材料的制备
，涉及一种用于层数连续可调的石墨烯的新型多元衬底，以及基于该多元衬底的层数连续可调的石墨烯。本专利技术还涉及利用在低溶碳金属或合金上覆盖一层或多层高溶碳金属或合金薄膜的双元或多元衬底，通过动力学控制在不同的反应温度下制备层数连续调节的高质量石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯具有原子级的厚度、优异的电学性能、出色的化学稳定性和热力学稳定性， 这些性能使得石墨烯在未来纳米电子学中具有重要的应用前景，并已成为目前凝聚态物理和材料科学研究的热点。石墨烯采用化学气相沉积法(CVD)在过渡金属衬底如N1、Cu、Ru等表面制备具有可大面积生长、便于转移等的显著优点，但是，CVD法生长的石墨烯薄膜的质量和生长机理都与过渡金属衬底对碳的溶解能力密切相关。对碳有较强溶解能力的Ni衬底(0.(2.7原子％，在700~-1300°C )易制备出由小的多层晶粒组成的覆盖良好的石墨烯薄膜，而铜的溶碳能力很低(< 0.001原子％，在 1000°C)，在极度精确控制生长参数(如温度，气压，气体组成，流量等)的条件下可制备出均一的单层石墨烯薄膜，但实际生产中很难应用。在已有的制备中，单层的石墨烯仅在低的甲烷(CH4)浓度(< O. 2% )和高的沉积温度(> 1000°C )条件下方能制备出，而高的CH4 浓度会导致薄膜的非均一性。为克服上述问题以达到电子器件应用的要求，需设计一种可大面积制备、均一性良好且层数可控的石墨烯薄膜的理想衬底。然而，迄今为止，本领域尚未开发出一种用于可大面积制备、均一性良好且层数可控的石墨烯薄膜的理想衬底 。因此，本领域迫切需要开发出一种用于可大面积制备、均一性良好且层数可控的石墨烯薄膜的理想衬底。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新颖的用于层数连续可调的石墨烯的新型多元衬底，基于该多元衬底的层数连续可调的石墨烯，及其制备方法，从而解决了现有技术中存在的问题。一方面，本专利技术提供了一种用于层数连续可调的石墨烯的多元衬底，它包括金属基底，所述金属基底为低溶碳金属Ml，或者低溶碳金属Ml与高溶碳金属M2的合金 Mlh+M2x，式中 O < X < O. 5 ;采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法覆盖在所述金属基底上的金属薄膜，所述金属薄膜为至少一层高溶碳金属M2，或者低溶碳金属Ml与高溶碳金属M2的合金Mlh+M2x，式中 I > X > O. 5 ；其中，Ml为 Cu，M2 选自 Ru、T1、Zr、Nb、Ta、Fe、Co、N1、V、Rh、Pd、Co、Ir、Pt、Mo、W、Zn或其组合。在一个优选的实施方式中，所述多兀衬底还包括位于所述金属基底下的非金属基。在另一个优选的实施方式中，所述非金属基底选自娃、氧化娃、玻璃、石英、碳化娃和氧化招。在另一个优选的实施方式中，所述磁控溅射法的溅射功率为50-200W，溅射时间为 5-60分钟，工作气压为O. 2-3. OPa，靶材与基底的距离为5-llcm ;所述脉冲激光沉积法的基底温度为50-800°C，沉积时间为10-60分钟，靶材上的平均激光能量密度为2-lOJ/cm2。在另一个优选的实施方式中，所述金属基底的厚度为1-1000 μ m ;所述金属薄膜的厚度为5nm_l μ m。在另一个优选的实施方式中，所述非金属基底的厚度为O. 5-2 μ m ;所述金属薄膜的厚度为5nm_l μ m。在另一个优选的实施方式中，所述低溶碳金属或合金的溶碳能力为在500-1100°C 下小于O. 005原子％ ;所述高溶碳金属或合金的溶碳能力为在500-1100°C下大于O.1原子% O另一方面，本专利技术提供了一种制备用于层数连续可调的石墨烯的多元衬底的方法，该方法包括提供金属基底，所述金属基底为低溶碳金属Ml，或者低溶碳金属Ml与高溶碳金属 M2 的合金 Mlh+M2x，式中 O < X < O. 5 ;采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法在所述金属基底 上覆盖金属薄膜，所述金属薄膜为至少一层高溶碳金属M2，或者低溶碳金属Ml与高溶碳金属M2的合金Mlh+M2x，式中I > X > O. 5 ；其中，Ml为 Cu，M2 选自 Ru、T1、Zr、Nb、Ta、Fe、Co、N1、V、Rh、Pd、Co、lr、Pt、Mo、W、Zn或其组合。在一个优选的实施方式中，该方法还包括在所述金属基底下提供非金属基底。在另一个优选的实施方式中，所述非金属基底选自娃、氧化娃、玻璃、石英、碳化娃和氧化招。在另一个优选的实施方式中，所述磁控溅射法的溅射功率为50-200W，溅射时间为 5-60分钟，工作气压为O. 2-3. OPa，靶材与基底的距离为5-llcm ;所述脉冲激光沉积法的基底温度为50-800°C，沉积时间为10-60分钟，靶材上的平均激光能量密度为2-lOJ/cm2。另一方面，本专利技术提供了一种基于多元衬底的层数连续可调的石墨烯，它包括上述多元衬底；在500-1100°C的温度下通过化学气相沉积法沉积在所述多元衬底上的石墨烯。在一个优选的实施方式中，所述石墨烯的尺寸为O. l_30cm。在另一个优选的实施方式中，所述石墨烯应用于光伏、平面显示、半导体电子和储能器件领域。另一方面，本专利技术提供了一种制备基于多元衬底的层数连续可调的石墨烯的方法，该方法包括提供上述多元衬底；在500-1100°C的温度下通过化学气相沉积法在所述多元衬底上沉积石墨烯，制得层数连续可调的石墨烯。在一个优选的实施方式中，所述化学气相沉积法包括以下步骤将所述多元衬底放入化学气相沉积反应室，密封，检查气密性，在氢气和惰性气氛下排气30分钟，然后进行加热至500-1100°C的反应温度，恒温0-60分钟后，导入碳源、氢气和保护气反应1-60分钟， 反应完毕后自然炉冷至室温。在另一个优选的实施方式中，所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、乙烷、丙烷、 丁烷、戊烷、丙烯、丁二烯、甲醇、苯、环己烷、环戊二烯中的至少一种或它们的混合碳源；所述惰性气体包括氮气、氩气、氦气中的至少一种或它们的混合气体。在另一个优选的实施方式中，所述所述惰性气体的流速为100-1000sccm ;所述氢气的流速为5_500sccm ;所述碳源的流速为0. 2_500sccm。附图说明图1示出了根据本专利技术的一个实施方式的用于层数连续可调的石墨烯的Cu箔/Ni 膜双元衬底的生长机理。图2示出了根据本申请实施例1的Cu箔/Ni膜双元衬底上不同温度制备的石墨烯的场发射扫描电镜(FESEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)形貌及拉曼光谱图。图3示出了根据本申请实施例1的Cu箔/Ni膜双元衬底上不同温度制备的石墨烯薄膜转移至带有300nm热氧化层的硅基底上的透光性和电学性能(方块电阻)。图4示出了对比例I的以Cu箔为衬底的不同温度制备的石墨烯的拉曼光谱结果。图5示出了根据本申请实施例2的Cu箔/Ni膜双元衬底以及对比例2的Mo箔/ Ni膜双元衬底制备的石墨烯薄膜转移至带有300nm热氧化层的硅基底上的拉曼光谱图。具体实施方式本专利技术的专利技术人在经过了广泛而深入的研究之后发现，利用在低溶碳金属或合金上覆盖一层或多层高溶碳金属或合金薄膜的双元或多元衬底，在早期生长阶段，大量的活性碳原子被上层高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于层数连续可调的石墨烯的多元衬底，它包括：金属基底，所述金属基底为低溶碳金属M1，或者低溶碳金属M1与高溶碳金属M2的合金M11?x+M2x，式中0＜x＜0.5；采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法覆盖在所述金属基底上的金属薄膜，所述金属薄膜为至少一层高溶碳金属M2，或者低溶碳金属M1与高溶碳金属M2的合金M11?x+M2x，式中1＞x＞0.5；其中，M1为Cu，M2选自Ru、Ti、Zr、Nb、Ta、Fe、Co、Ni、V、Rh、Pd、Co、lr、Pt、Mo、W、Zn或其组合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万冬云，黄富强，林天全，毕辉，谢晓明，江绵恒，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：