一种石墨烯晶畴的制备方法技术

一种石墨烯晶畴的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)提供一镍片和一抛光的铜箔，将所述铜箔置于温度为950℃～1077℃的保护气体中退火1小时～3小时；(2)以浓度为5g/L～30g/L的含镍化合物和浓度为10g/L～50g/L的硼酸作为溶质配置镍电镀溶液，并将所述镍电镀溶液放入电解槽中；(3)将所述镍片和退火后的铜箔放入盛有所述镍电镀溶液的电解槽中并使所述镍片和铜箔分别连接电源阳极和阴极，使所述铜箔在电流密度为0.001A/cm2～0.5A/cm2的电流下被电镀0.5分钟～30分钟后形成铜?镍双面衬底；(4)将所述铜?镍双面衬底置于流速为50sccm～300sccm的氢气气相沉积腔体室中，升温至900℃～1050℃后再恒温5分钟～60分钟，接着导入流速为1sccm～30sccm的碳源5分钟～60分钟，使所述铜?镍双面衬底生长石墨烯晶畴；之后停止所述碳源供应，将所述氢气流速调整为10sccm～50sccm，同时导入流速为100sccm～500sccm的氩气使所述石墨烯晶畴自然冷却至室温。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供，该方法包括以下步骤：提供一镍片和一抛光的铜箔，将所述铜箔置于保护气体中退火；以含镍化合物和硼酸为溶质配置镍电镀溶液；将镍片和退火后的铜箔放入盛有镍电镀溶液的电解槽中通电，使铜箔被电镀后形成铜-镍双面衬底；将铜-镍双面衬底置于氢气气相沉积腔体室中，升温后再恒温一定时间，接着导入碳源使所述铜-镍双面衬底生长石墨烯晶畴；之后停止碳源供应并导入氩气使石墨烯晶畴自然冷却。本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法采用对抛光的铜箔表面电镀镍，并在实施过程中调节退火时间、电镀时间、生长时间、碳源流速、碳源种类等其中一种或多种参数，分别可制备不同层数以及不同尺寸的石墨烯晶畴。【专利说明】
本专利技术涉及一种石墨烯的制备方法，特别是涉及一种用电镀镍通过化学气相沉积方法制备大尺寸可控层数石墨烯晶畴的方法。
技术介绍
石墨烯是一种单分子层的二维石墨材料，因其具有诸多潜在的高导电性、热稳定性、机械强度和特殊的量子特性而备受瞩目，被认为是未来全面替代硅的新材料。不同层数的石墨烯具有不同的能带结构:单层石墨烯是禁带宽度为零的半金属，双层石墨烯的带隙可被电场调控，三层石墨烯则具有可被电场调控重叠程度的导带和价带。因而大规模制备大尺寸高质量层数可控的二到多层石墨烯成为将石墨烯应用于电子和光电子器件领域的一个迫切需求。目前石墨烯的制备技术还有很大的开拓空间。现行的石墨烯制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学还原法等。其中化学还原法因过程简单，易于宏量制备等特点而被重点关注。其基本过程是先把石墨粉氧化成氧化石墨粉，在溶剂中剥离形成氧化石墨烯，而后进行还原，其中的还原剂是研究的重点与关键。中国专利CN200910187298中公开了一种石墨烯的制备技术，具体为一种大尺寸石墨烯的制备方法。该方法包括:采用大尺寸石墨为原料，利用改性Hummers方法对石墨原料进行弱氧化；接着用弱超声或振荡方法将分散在水中的氧化石墨进行温和剥离，获得氧化石墨烯；接着用多次 离心方法，通过控制离心转速和离心时间将氧化石墨烯分离，得到均匀的大尺寸氧化石墨烯；再将氧化石墨烯沉积在基体上，利用肼或水合肼还原，得到高质量、大尺寸石墨烯。又如，中国专利CN201010218410公开了一种合成石墨烯薄膜材料的方法，该方法通过化学气相沉积法，用氢气加甲烷的混合气氛，在铜基底上生长石墨烯薄膜；然后将生长了石墨烯薄膜的铜基底平放在表面被氧化了硅基底上，放入硝酸铁溶液中，将铜基底溶掉，此时石墨烯薄膜将沉在硅基底上；接下来将溶液稀释，再将沉有石墨烯的硅基底从溶液中取出用真空干燥箱烘干；再将沉有石墨烯的硅基底超声清洗后，放入通氩气保护的退货炉中退火即可制的高质量的石墨烯样品。目前，用化学气相沉积(CVD)方法已经可以在过渡金属尤其是铜上制备出高质量的单层石墨烯连续膜和单晶，但如何大规模制备出大尺寸可控层数的石墨烯仍然是科学研究的一大难点。因此有必要提出一种制备大尺寸可控层数石墨烯晶畴的方法。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，用于解决现有技术中不能大规模制备出大尺寸可控层数的石墨烯的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供，其特征在于，该方法包括以下步骤:(1)提供一镍片和一抛光的铜箔，将所述铜箔置于温度为950°C~1077°C的保护气体中退火1小时~3小时；(2)以浓度为5g/L~30g/L的含镍化合物和浓度为10g/L~50g/L的硼酸作为溶质配置镍电镀溶液，并将所述镍电镀溶液放入电解槽中；(3)将所述镍片和退火后的铜箔放入盛有所述镍电镀溶液的电解槽中并使所述镍片和铜箔分别连接电源阳极和阴极，使所述铜箔在电流密度为0.001 A/cm2~0.5A/cm2的电流下被电镀0.5分钟~30分钟后形成铜-镍双面衬底；(4)将所述铜-镍双面衬底置于流速为50sccm~300sccm的氢气气相沉积腔体室中，升温至900°C~1050°C后再恒温5分钟~60分钟，接着导入流速为lsccm~30sccm的碳源5分钟~60分钟，使所述铜-镍双面衬底生长石墨烯晶畴；之后停止所述碳源供应，将所述氢气流速调整为lOsccm~50sccm,同时导入流速为lOOsccm~500sccm的気气使所述石墨烯晶畴自然冷却至室温。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(1)中抛光的铜箔其表面的粗糙度低于50nm。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(1)中的保护气体为氢气和IS气的混合气体。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述混合气体中氩气与氢气的分压比为4:1~20:1。作为本专利技术的石 墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(1)中镍片的厚度为50微米~200微米。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(2)中的含镍化合物为六水合硫酸镍和六水合氯化镍的混合物。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(2)中还包括用高纯活性炭去除配置的镍电镀溶液中的有机杂质的步骤。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(3)中所述铜箔被电镀过程中，所述镍电镀溶液的PH值为4~5.5，温度为30°C~60°C。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(4)中所述气相沉积腔体室的压强为lOOpa~5000pa。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(4)中的碳源包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙烯、丙烯、乙炔、甲醇、乙醇、苯、甲苯、聚苯乙烯中的至少一种。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(1)中退火时间为2小时；所述步骤(3)中所述电流密度为0.005A/cm2，所述电镀时间为8分钟；所述步骤(4)中升温至1000°C后的恒温时间为15分钟，所述碳源为甲烷，所述甲烷的流速为30sCCm，所述导入甲烷的时间为10分钟。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(1)中退火时间为2小时；所述步骤(3)中所述电流密度为0.005A/cm2，所述电镀时间为10分钟；所述步骤(4)中升温至1000°C后的恒温时间为15分钟，所述碳源为甲烷，所述甲烷的流速为lOsccm，所述导入甲烷的时间为15分钟。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(1)中退火时间为1.5小时；所述步骤(3)中所述电流密度为0.005A/cm2，所述电镀时间为10分钟；所述步骤(4)中升温至1000°C后的恒温时间为10分钟，所述碳源为甲烷或乙炔，所述甲烷或乙炔的流速为30sCCm，所述导入甲烷或乙炔的时间为10分钟。作为本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法的一种优选方案，所述步骤(1)中退火时间为2小时；所述步骤(3)中所述电流密度为0.005A/cm2，所述电镀时间为12分钟；所述步骤(4)中升温至1000°C后的恒温时间为10分钟，所述碳源为甲烷，所述甲烷的流速为30sCCm，所述导入甲烷的时间为10分钟。如上所述，本专利技术的石墨烯晶畴的制备方法，采用抛光的铜箔表面电镀镍，具有以下有益效果:在实施过程中调节退火时间、电镀时间、生长时间或碳源的流速、碳源种类等其中一种或多种参数。可以大规模制备出大尺寸可控层数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯晶畴的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)提供一镍片和一抛光的铜箔，将所述铜箔置于温度为950℃～1077℃的保护气体中退火1小时～3小时；(2)以浓度为5g/L～30g/L的含镍化合物和浓度为10g/L～50g/L的硼酸作为溶质配置镍电镀溶液，并将所述镍电镀溶液放入电解槽中；(3)将所述镍片和退火后的铜箔放入盛有所述镍电镀溶液的电解槽中并使所述镍片和铜箔分别连接电源阳极和阴极，使所述铜箔在电流密度为0.001A/cm2～0.5A/cm2的电流下被电镀0.5分钟～30分钟后形成铜?镍双面衬底；(4)将所述铜?镍双面衬底置于流速为50sccm～300sccm的氢气气相沉积腔体室中，升温至900℃～1050℃后再恒温5分钟～60分钟，接着导入流速为1sccm～30sccm的碳源5分钟～60分钟，使所述铜?镍双面衬底生长石墨烯晶畴；之后停止所述碳源供应，将所述氢气流速调整为10sccm～50sccm，同时导入流速为100sccm～500sccm的氩气使所述石墨烯晶畴自然冷却至室温。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢光远，吴天如，杨超，张学富，
申请(专利权)人：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：