本发明专利技术提供了在大气压下使用化学气相沉积（CVD）在平坦化的基材上生长大尺寸的均匀的石墨烯层的方法；按照这些方法生产的石墨烯可以具有超过95%的单层含量。通过本发明专利技术方法制造的场效应晶体管所具有的室温空穴迁移率比生长在可商购的铜箔基材上的样品所测得的室温空穴迁移率高2-5倍。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及石墨烯材料领域和石墨烯合成领域。
技术介绍
由于石墨烯在电子器件和其他应用中的使用潜力，石墨烯已在研究团体中产生了极大的兴趣。对大规模生产这种材料的渴望，已促成了对通过包括单晶SiC的超高真空退火和其他化学气相沉积法在内的方法来生长大面积的单层(或几层)石墨烯的方法的大量最新研究。然而，现有方法在石墨烯的性质方面表现出显著的变化，这对于许多应用来说是不可接受的一一石墨烯的均匀厚度是关键问题，但是迄今为止的报告在控制这个参数方面仅显示出有限的成功。因此，在本
中，对于大面积的单层石墨烯片以及生产这样的石墨烯片的相关方法存在着需求。专利技术概述在应对所述挑战的过程中，请求保护的专利技术首先提供了在平坦化的金属基材的顶上生长石墨烯片。请求保护的专利技术还提供了组合物，所述组合物包括含有至少约80%的单层石墨稀的石墨稀片。附图说明当结合附图阅读时，可进一步理解专利技术概述以及下面的详细描述。出于说明本专利技术的目的，在图中示出了本专利技术的示例性实施方案；然而，本专利技术不限于所公开的具体方法、组合物和器件。此外，附图不一定是按比例绘制的。在所述附图中:图1示出了未抛光的Cu箔(a、b)以及生长在Cu箔上并转移到氧化的硅基材后的CVD-石墨烯膜(c、d)的光学图像——插入图是在图1d中的点A处获取的拉曼光谱；图2示出了在电抛光之前(a)和之后(b)的Cu箔的AFM表面形态图像，用相同高度的颜色刻度尺显示一(C)示出了在(a)和(b)中指示的位置的谱线轮廓，(d)示出了电抛光装置的示意图3示出 了通过化学气相沉积生长在Cu箔上、然后使用PMMA方法转移至300nm氧化物硅基材上的石墨烯的拉曼光谱(详细情况参见全文)——分别地，生长在未抛光的Cu箔上的石墨烯的拉曼光谱由下部的3条曲线示出，生长在电抛光的Cu箔上的石墨烯的光谱由上部的3条曲线示出；图4示出了(a)使用41ppm甲烷原料浓度生长在电抛光的Cu上的石墨烯的光学图像；(b)从图4 Ca)中所示的点A和B处获取的拉曼光谱；(c)使用41ppm甲烧原料浓度生长在电抛光的Cu上、然后转移到氧化的Si基材上的石墨烯的光学显微照片；(d)在图4(c)中的点A和B处获取的拉曼光谱；图4 Cd)中的插入图示出了 2D带的详细情况；点八处的光谱是单个洛伦兹型(Lorentzian)，表明这个区域是单层石墨烯，而点B处的2D峰是四种组分的卷积，这指示了双层石墨烯；图5示出了在生长在(a)原样和(b)电抛光的Cu箔上的单层石墨烯上制造的典型石墨烯FET器件的电阻随栅极电压变化的曲线——插入图是石墨烯FET器件的光学显微照片;图6示出了几种提出的非限制性的类似于自由基聚合的反应途径，用于解释在化学气相沉积期间石墨烯在不平坦的Cu金属表面上的生长，Ca)烃类在加热的Cu表面上解离；(b)石墨烯的成核和生长；(c)当两个活性中心彼此反应时，反应终止；(d)最终的石墨烯具有由表面粗糙度造成的乱层(turbostatic)结构和无定形碳。图7示出(通过照片)了已被转移到PDMS印模(stamp)上的石墨烯样品；图8示出了(a)通过漂浮石墨(Kish graphene)的微机械剥离获得并被沉积在300nm硅晶片上的石墨烯的光学显微照片，(b)图(a)中点2处的单层和双层石墨烯区域的拉曼光谱，以及(C)来自于图8 Ca)中点I和3的单层石墨烯的拉曼光谱；并且图9示出了(a)生长在Ni膜上、然后转移到300nm氧化物硅基材上的石墨烯的光学图像，以及(b)图9 (a)中点A的拉曼光谱。详细描述通过参考下面的详细描 述并结合形成本公开的一部分的附图和实施例，可以更容易地理解本专利技术。应理解的是，本专利技术不限于本文中描述和/或示出的具体器件、方法、应用、条件或参数，并且本文中使用的术语仅出于以示例的方式描述具体实施方案的目的，并不只在限制请求保护的专利技术。此外，当在包括权利要求书在内的说明书中使用时，不带具体数目的指称包括复数形式，并且对特定数值的指称至少包括该特定值，除非上下文明确规定不是如此。当在本文中使用时，术语“多个”意指大于一个。当表述值的范围时，另一个实施方案包括从一个特定值和/或至另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表述为近似值时，应理解的是，该特定值形成了另一个实施方案。所有范围都是包含性和可组合的。应该认识到，出于清楚起见在本文中被描述在单独的实施方案背景下的本专利技术的某些特征，也可以被组合提供在单个实施方案中。相反，为简洁起见被描述在单个实施方案的背景下的本专利技术的各种特征，也可以分开或以任何子组合的形式提供。此外，用范围陈述的值的指称，包括了该范围内的每个值和所有值。本申请中所引用的任何和所有文件均在此以其全文引为参考。本专利技术首先提供了制造石墨烯材料的方法。在适合情况下，这些方法包括在平坦化的金属基材的顶上生长石墨烯片。通过机械抛光、化学抛光、电抛光等来实现平坦化。半导体工业中已知的化学-机械抛光也被认为是适合的。使用机械装置和流体或浆料(例如磨蚀性浆料)的抛光是适合的。在某些实施方案中，用户可以自己将基材平坦化；在其他实施方案中，用户可以购买平坦化的基材材料。正如在本文中别处所描述的，电抛光被认为是特别适合的。在适合情况下，平坦化或抛光使平坦化的金属基材的粗糙度相对于未平坦化的金属基材至少降低至少2倍，或相对于未平坦化的金属基材甚至降低5或10倍。在某些实施方案中，粗糙度因子被改善至少约0.1、至少约0.5或甚至至少约I。在某些优选实施方案中，平坦化的金属基材在原子水平上是光滑的。在原子水平上光滑的金属基材的特征通常在于在基材的表面上包含金属原子平面。适合的金属原子平面痛通常包含金属原子的单个平面。所述平面中适合的金属原子可以被排列成例如类似于金属晶体的小平面的平面阵列。在一种电抛光方案中，将金属工件浸泡在电解质中并与电源(例如DC电源)的正端子(阳极)相连。电源的负端子被适合地与辅助电极(即阴极)连接。电流从阳极经过，在阳极处，工件表面上的金属被氧化并溶解在电解质中。还原(例如析氢)在阴极处发生。在电抛光中可以使用各种电解质。酸溶液(例如硫酸、磷酸及其混合物)是适合的。其他电抛光电解质包括与乙酸酐混合的高氯酸盐以及硫酸的甲醇溶液。对烃类气体基本上无反应性的金属基材适用于请求保护的方法。促进烃类气体分解的基材是特别适 合的。铜、铑、钌、铱等都是适合的基材。可商购的铜箔被认为是特别适合的，因为它可以被电抛光成为所公开的石墨烯生产方法提供适合的平面(即粗糙度降低的)基材。铑、钌、铱、钼、钴和镍都被认为是适合的基材。基材可以包括单个金属或两种以上金属的混合物或合金。其他适合的基材材料包括以碳溶解性为特征的金属材料。一些这样的材料包括 Fe/Cu、Ni/Cu、Co/Cu 等。通过在适合条件下将基材与含碳气体例如烃类气体相接触来实现石墨烯的生长。所述气体可以是甲烷、乙烷或每个分子含有多个碳的其他烃类。在适合情况下，通过化学气相沉积(“CVD”)来实现生长，其中将烃类气体在反应器容器中与基材相接触。CVD方法的一种示例性实施方案被描述在本文中别处。烃类气体与基材的接触可以发生在约50°C至约2000°C、或约100°C至约1500°C、或约500°C至约1100°C。温度可本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：埃兰·T·约翰逊，罗正堂，
申请(专利权)人：宾夕法尼亚大学理事会，
类型：
国别省市：
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