CN103011136A

CN103011136A - 一种合成石墨烯薄膜的方法

Info

Publication number: CN103011136A
Application number: CN2011102876219A
Authority: CN
Inventors: 徐明生; 陈红征; 施敏敏; 吴刚; 汪茫
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种制备石墨烯薄膜的方法。采用能量粒子如激光束、电子束、射频束、射线、光子、中子束、离子束、等离子体等技术方法将含有碳元素的气态碳源、固态碳源、液态碳源或前述碳源中任意两种或两种以上混合碳源材料中的碳原子活性化而在衬底上生长石墨烯薄膜。本发明产生合成石墨烯薄膜所需的碳原子的方法与常规的方法不同，其优点在于产生合成石墨烯薄膜所需的碳原子的产生方法具有很大的选择性，对碳源材料没有特殊要求，对衬底也没有特殊的要求，既可以在具有催化功能的衬底，也可以在不具有催化性能的半导体或绝缘体衬底上直接合成石墨烯薄膜。所生长的石墨烯薄膜的层数、结构、尺寸容易控制；适合用于大规模地制造高性能的光电子器件。

Description

一种合成石墨烯薄膜的方法

技术领域

本发明涉及石墨烯薄膜，尤其涉及一种合成石墨烯薄膜的方法。

背景技术

石墨烯是由蜂窝状的单层碳原子组成的二维结构材料，又被称为单层石墨；在物理特性上，通常认为十层以上石墨烯堆积的材料就是三维结构的石墨，碳纳米管是由石墨烯滚成桶状的一维纳米材料。石墨烯具有卓越的二维电学、光学、热学、力学性能以及化学稳定性，其独特的二维结构和优异的晶体学质量使得其在超快速微纳光电子器件、射频器件、洁净能源和各类传感器等领域具有重要的实用价值。比如，电子在石墨烯里遵循相对论量子力学，没有静质量，以1/300光速的超高速度运行，表现出奇异的室温量子霍尔效应及弹道输运现象，可制备室温弹道输运晶体管，被视为未来信息纳米器件的重要基础新材料；石墨烯电子传输速度是硅的150倍，有望制备出速度达到兆赫的超快速计算机与射频器件；石墨烯的单分子度的敏感性有望在各种传感器，如气体传感器和生物传感器等领域得到广泛应用；石墨烯具有2.3％光吸收的光学特性，使其可以用于制备超快速光探测器和锁模激光器。另一方面，由于极低的光吸收特性，使得石墨烯既可用于制备光电子器件，如发光二极管和太阳能电池等的透明电极，从而取代成本昂贵、资源稀少、不可折叠的以铟为主要成分的ITO透明导电膜，也可用于制备超级电容器和锂离子电池；基于石墨烯的有机光伏打电池的能量转换效率可望达到24％。

石墨烯薄膜的制备方法包括机械剥离法[K.S.Novoselov，et al.Science 306，666(2004)]、溶液剥离法[X.L.Li，et al.Science 319，1229(2008)]、石墨的氧化-还原法[D.A.Dikin，et al.Nature 448，457(2007)；Z.S.Wu，et al.Carbon 47，493(2009)]、碳化硅热分解法[C.Berger，et al.Science 312，1191(2006)；A.Tzalenchuk，et al.Nature Nanotechnol 5，186(2010)]、化学气相沉积法(CVD)[C.A.Di，et al.Adv.Mater.20，3289(2008)；A.Reina，et al.Nano Lett.9，30(2009)；K.S.Kim，et al.Nature 457，706(2009)]、碳偏析法(segregation)等。其中机械剥离法、溶液剥离法和石墨的氧化还原法制备出的石墨烯薄膜的形状基本上都是无规的，石墨烯薄膜的层数和尺寸很难控制；尽管机械剥离法能够产生完美晶格的石墨烯薄膜，但仅适应于基础研究，不适合大规模应用。碳化硅热分解法是一种固态碳源生长石墨烯薄膜的方法，其基本步骤包括在超高真空下，以1400℃左右的高温处理碳化硅，使硅原子蒸发掉而让碳原子在碳化硅表面形成石墨烯薄膜，此方法对制备条件要求很高、很苛刻，并且很难得到层数单一均匀的石墨烯薄膜。CVD和碳偏析法可以大面积合成石墨烯薄膜，且在一定程度上可以较好地控制石墨烯薄膜的层数，适应于大规模应用，但合成温度一般在1000℃左右。这样，由于CVD法通常在催化的金属衬底上合成石墨烯薄膜，实际应用石墨烯薄膜时，必须将在金属衬底上合成的大面积石墨烯薄膜转移到其它目标衬底如绝缘衬底上才可以使用石墨烯薄膜；目前大面积转移石墨烯薄膜还存在很大的困难。因此，如果有技术方法能够将石墨烯薄膜直接生长在适合石墨烯薄膜特定应用技术的衬底如绝缘衬底或半导体衬底上，将省略转移步骤，也可以避免因转移过程而导致的石墨烯薄膜结构质量的变化，这将大大加快石墨烯技术的发展和拓宽实际应用的领域。

最近，已有采用不用金属催化层的CVD法合成石墨烯薄膜或类似石墨烯薄膜材料的文献报道，如在Al₂O₃上合成石墨烯薄膜[M.A.Fanton，et al.ACS Nano，Online Computer File，2011，DOI：10.1021/nn202643]；在MgO上合成纳米尺寸大小的石墨烯薄膜片[M.H.Ruemmeli，et al.arXiv.org，e-Print Archive，CondensedMatter，Pages：1-13，arXiv：1103.0497v1，Preprint，2011]；在石英、Si(100)以及SiO₂衬底上合成了尺寸大小为100-200纳米的类似石墨烯材料的含碳薄膜[KimKi-Bum，et al.，J.Phy.Chem.C 115，14488(2011)]，在多种衬底上合成由尺寸大约为10纳米的石墨烯薄膜片组成的薄膜；不用金属催化层的化学气相沉积法(CVD)合成石墨烯薄膜所需的合成温度很高(高于1400℃)，或者合成的石墨烯薄膜尺寸很小(10-200纳米)。

本专利的发明人公开了采用溅射等方法将石墨材料沉积在金属催化层上而合成石墨烯薄膜方法的专利[CN101913598A]；采用与此类似方法，Ruoff等在金属铜片催化衬底上沉积碳膜，然后进行退火处理合成单层石墨烯[R.S.Ruoff，etal.，ACS Nano DOI：10.1021/nn202802x]；但上述技术方法只是将固态碳材料沉积在具有催化活性的金属衬底上合成石墨烯薄膜。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种简单易行适于在任何目标衬底上合成石墨薄膜的技术方法；特别是，利用产生的活性碳原子或含碳活性基团可以在不具有催化功能的半导体和绝缘体衬底上大面积生长的石墨烯薄膜的方法。为此，本发明采用以下技术方案：采用能量粒子技术方法从含有碳元素的固态碳源、液态碳源、气态碳源材料或前述碳源中任意两种或两种以上混合碳源材料中产生活性碳原子或含碳活性基团；将产生的活性碳原子或含碳活性基团沉积在不具有催化活性的衬底或具有催化活性的衬底上形成石墨烯薄膜。

所述的能量粒子技术方法包括射频处理、激光处理、电子束处理、中子束处理、离子束处理、等离子体处理、微波处理、射线处理、紫外线处理或红外线处理。

所述的不具有催化活性的衬底包括半导体或绝缘体材料，如但不局限于Si、GaN、Ge、ZnO、CuO、InAs、GaAs、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、BN、SiC、SiN_x、MgO、GeS、BaF₂、MgF₂、LaF₃、GaF₂、GaP、InP、LiF、InSb、BaTiO₃、LiNbO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、SrTiO₃、LaAlO₃、LiGaO₂、LiTaO₃、YAlO₃、YVO₄、ZnS、ZnSe、ZnTe、蓝宝石、云母、聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等。

所述的具有催化活性的衬底包括Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、TiC、HfC、WC、LaB₆或多晶铜的一种或其任意组合。

所述的活性碳原子是指能够形成石墨烯的碳原子，所述的含碳活性基团是指带有正碳离子或负碳离子的基团。

在所述衬底上形成的石墨烯薄膜的层数为1层至100层，优选为1层至10层，最优为1层至3层。

石墨烯薄膜生长的衬底表面特征包括但不局限于具有一定规则图案的衬底，如表面原子有序排列的单晶衬底、表面结构短程有序的多晶衬底、表面平整光滑的非晶衬底、表面有原子台阶的衬底、表面有功能基团的衬底、表面有纳米结构的衬底等，比如Si(100)表面、GaN(111)表面的原子台阶、表面凸凹的Si、表面经HF处理的Si衬底、表面烷基化的Si衬底、Au(111)表面、表面经巯基官能团处理的Au衬底、表面经UV-O₃处理的SiO₂衬底、平整光滑的聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)衬底等。

所述的多晶衬底表面的短程有序的结构是指有序结构的长度范围大于5纳米。

所述的非晶衬底的平整光滑表面是指表面粗糙度小于100纳米的表面。

所述的衬底上的纳米结构是指至少有一维的尺寸是0.5纳米～100纳米的纳米线、纳米点、纳米管等的纳米结构。

所述的含有碳元素的气态碳源、固态碳源、液态碳源材料或混合碳源材料是指采用所述的技术方法或手段而能够容易释放出碳原子或含碳活性基团的含碳元素的材料，包括烷烃如甲烷等，烯烃如乙烯等，炔烃如乙炔等，芳香烃如苯等，醇如乙醇等，酮如丙酮等，聚合物、石墨、无定型碳、富勒烯、碳管等含碳的材料，但不局限于以上材料。

本发明的制备石墨烯薄膜的方法是采用能量粒子的技术方法将活性碳原子或含碳活性基团从含碳的碳原材料中产生而直接在目标衬底上大面积生长石墨烯薄膜；能够在任何衬底上，特别是能在不具有催化活性的半导体和绝缘体衬底上直接合成石墨烯薄膜。在合成石墨烯薄膜所需的碳原子技术方法上，本发明的技术方法不同于常规的化学气相沉积法(CVD)和碳偏析等方法，合成石墨烯薄膜所需的碳原子的产生方法具有很大的选择性，对所需的碳源材料没有特殊的要求；本发明可以直接在半导体或绝缘体衬底上直接制备石墨烯薄膜，由于不需要将石墨烯薄膜从合成石墨烯薄膜的衬底转移到使用的衬底上，这能够保持所合成的石墨烯薄膜的性能不被改变，这样对于实现石墨烯薄膜在半导体光电子领域的应用具有非常重要的现实意义，这将大幅度降低成本；石墨烯薄膜的厚度、结构、尺寸容易控制；适用于大规模地制造高性能的光电子器件。

附图说明

图1为本发明制备石墨烯薄膜的示意图：包括(a)采用能量粒子技术方法从含有碳元素的气态碳源、液态碳源、固态碳源或前述碳源中任意两种或两种以上混合碳源材料中产生活性碳原子或含碳活性基团，(b)活性碳原子或含碳活性基团沉积在衬底上而形成石墨烯薄膜。

图2为一些具有规则图案的衬底：(a)表面原子有序排列的单晶衬底，如Si(100)表面、GaN(111)表面的原子台阶、Au(111)表面等；(b)具有凸凹的图案的衬底，如表面凸凹的Si、PET等；(c)表面具有功能基团的衬底，如表面经HF处理的Si衬底、表面烷基化的Si衬底、表面经巯基官能团处理的Au衬底、表面经UV-O₃处理的SiO₂衬底等；(d)表面具有纳米结构的衬底。

图3为在单晶Si衬底上生长石墨烯薄膜的扫描电子显微镜图像。

图4为在多晶铜衬底上生长单层石墨烯转移到SiO₂衬底上的俄歇电子图谱。

图中所示：1、能量粒子产生器；2、含有碳原子的气态碳源、液态碳源或固态碳源；3、活性碳原子或含碳活性基团；4、衬底；5、石墨烯薄膜；6、单晶衬底的有序原子结构；7、衬底上的功能基团；8、衬底上的纳米结构。

具体实施方式

如图1所示，合成石墨烯薄膜的方法是采用能量粒子技术方法从含有碳元素的气态碳源、液态碳源、固态碳源或前述碳源中任意两种或两种以上混合碳源材料中产生活性碳原子或含碳活性基团，将产生的活性碳原子或含碳活性基团沉积在不具有催化活性的衬底或具有催化活性的衬底上形成石墨烯薄膜。

所述的能量粒子技术方法包括但不限于射频处理、激光处理、电子束处理、中子束处理、离子束处理、等离子体处理、微波处理、X射线处理、α射线处理、β射线处理、γ射线处理、紫外线处理、红外线处理或热辐射处理。

所述的活性碳原子是指能够形成石墨烯的碳原子；所述的含碳活性基团是指带有正碳离子或负碳离子的基团。

所述的衬底包括是具有催化活性或弱催化活性的衬底，如Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、TiC、HfC、WC、LaB₆或多晶铜的一种或其任意组合，也可以是不具有催化活性的衬底如半导体或绝缘体衬底，包括但不局限于Si、GaN、Ge、ZnO、CuO、InAs、GaAs、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、BN、SiC、SiN_x、MgO、GeS、BaF₂、MgF₂、LaF₃、GaF₂、GaP、InP、LiF、InSb、BaTiO₃、LiNbO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、SrTiO₃、LaAlO₃、LiGaO₂、LiTaO₃、YAlO₃、YVO₄、ZnS、ZnSe、ZnTe、蓝宝石、云母、聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等。

所述的衬底上的纳米结构是指其至少有一维的尺寸是0.5纳米～100纳米的纳米线、纳米点、纳米管等的纳米结构。

所述的在于在衬底上形成的石墨烯薄膜的层数为1层至100层，优选为1层至10层，最优为1层至3层。

所述的含有碳元素的气态碳源、固态碳源、液态碳源材料或其混合碳源是指含由碳原子的材料，最优为能够由所述的产生活性碳原子或含碳活性基团的方法或手段而产生活性碳原子或活性碳原子基团的材料，包括烷烃如甲烷等，烯烃如乙烯等，炔烃如乙炔等，芳香烃如苯等，醇如乙醇等，酮如丙酮等，聚合物、石墨、无定型碳、富勒烯、碳管等含碳的材料，但不局限于以上材料。

实施例1：在Si(100)衬底上生长石墨烯薄膜

包括以下步骤：将n型Si(100)传送到超高真空室，在600℃热处理300min，然后升温至1000℃热处理3次，每次0.5min，从而得到干净的Si(100)表面；保持衬底Si(100)的温度在800℃，往超高真空室通H₂与C₂H₄的混合气体，并用来自于电子枪的电子束将C₂H₄离化成活性碳原子基团，在Si(100)衬底上生长石墨烯薄膜5分钟；最后将衬底温度已降温速率20℃/分钟降到25℃，从而在Si衬底大面积生长了层数不一致(1-3层不等)石墨烯薄膜。图3为在单晶Si衬底上生长石墨烯薄膜的扫描电子显微镜图像。

效果：Si是当代硅基电子器件、数字/逻辑电路的核心材料，直接在Si等半导体衬底生长石墨烯薄膜，将加速石墨烯技术与当代光电子工业的集成，降低成本。

产生活性碳原子或含碳活性基团的技术方法为能量粒子技术方法，包括但不限于射频处理、激光处理、电子束处理、中子束处理、离子束处理、等离子体处理、微波处理、X射线处理、α射线处理、β射线处理、γ射线处理、紫外线处理、红外线处理或热辐射处理。在本实施例中采用由电子枪产生的电子束来离化C₂H₄，但也可以采用其它的能量粒子技术来离化。

用于生长石墨烯薄膜的衬底可以是具有催化活性的衬底如Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、TiC、HfC、WC、LaB₆或多晶铜的一种或其任意组合，也可以是不具有催化活性的衬底如半导体和绝缘体包括Si、GaN、Ge、ZnO、CuO、InAs、GaAs、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、BN、SiC、SiN_x、MgO、GeS、BaF₂、MgF₂、LaF₃、GaF₂、GaP、InP、LiF、InSb、BaTiO₃、LiNbO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、SrTiO₃、LaAlO₃、LiGaO₂、LiTaO₃、YAlO₃、YVO₄、ZnS、ZnSe、ZnTe、蓝宝石、云母、聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等；在本实施例中石墨烯薄膜是合成在不具有催化功能的单晶Si衬底上。

实施例2：在聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)衬底上制备石墨烯薄膜

包括以下步骤：将PET衬底传入超高真空室，PET衬底温度为150℃，往超高真空室通甲烷，并保持气压为8×10^-4Torr，采用离子枪以加速电压1keV离化甲烷，这样离化的甲烷沉积在PET衬底上，沉积时间为5min，然后在温度为100℃时，对样品进行60min退火处理而在PET上合成了厚度约为33.5nm(l00层)的石墨烯薄膜。

效果：各种平板显示、触摸屏以及太阳能电池等都需要透明电极膜，柔性器件越来越受到瞩目，PET是透明的柔性材料，直接在较低温下将透明的导电的石墨烯生长在PET上，为发展柔性石墨烯导电透明膜技术奠定了基础。

产生活性碳原子或含碳活性基团的技术方法为能量粒子技术方法，包括但不限于射频处理、激光处理、电子束处理、中子束处理、离子束处理、等离子体处理、微波处理、X射线处理、α射线处理、β射线处理、γ射线处理、紫外线处理、红外线处理或热辐射处理。在本实施例中采用离子枪来离化甲烷，但也可以采用其它的能量粒子技术来离化。

用于生长石墨烯薄膜的衬底可以是具有催化活性的衬底如Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、TiC、HfC、WC、LaB₆或多晶铜的一种或其任意组合，也可以是不具有催化活性的衬底如半导体和绝缘体包括Si、GaN、Ge、ZnO、CuO、InAs、GaAs、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、BN、SiC、SiN_x、MgO、GeS、BaF₂、MgF₂、LaF₃、GaF₂、GaP、InP、LiF、InSb、BaTiO₃、LiNbO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、SrTiO₃、LaAlO₃、LiGaO₂、LiTaO₃、YAlO₃、YVO₄、ZnS、ZnSe、ZnTe、蓝宝石、云母、聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等；在本实施例中厚度约为33.5nm的石墨烯薄膜是合成在不具有催化功能的绝缘体材料PET上。

实施例3：在多晶铜衬底生长石墨烯薄膜

包括以下步骤：将厚度为25μm的多晶铜片进行机械抛光，在抛光后的Cu片上旋涂厚度为100nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，然而传到高真空室(2×10^-5torr)，采用射频束将PMMA离化，同时将衬底温度升至1050℃保持10min，最后将衬底温度将至25℃而在整个多晶铜衬底上合成了单层石墨烯。图4是所合成的单层石墨烯转移到SiO₂衬底上的俄歇电子图谱。

效果：产生活性碳原子或含碳活性基团的技术方法为能量粒子技术方法，包括但不限于射频处理、激光处理、电子束处理、中子束处理、离子束处理、等离子体处理、微波处理、X射线处理、α射线处理、β射线处理、γ射线处理、紫外线处理、红外线处理或热辐射处理。在本实施例中采用射频源产生等离子体来离化固态的PMMA，但也可以采用其它的能量粒子技术来离化。

用于生长石墨烯薄膜的衬底可以是具有催化活性的衬底如Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、TiC、HfC、WC、LaB₆或多晶铜的一种或其任意组合，也可以是不具有催化活性的衬底如半导体和绝缘体包括Si、GaN、Ge、ZnO、CuO、InAs、GaAs、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、BN、SiC、SiN_x、MgO、GeS、BaF₂、MgF₂、LaF₃、GaF₂、GaP、InP、LiF、InSb、BaTiO₃、LiNbO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、SrTiO₃、LaAlO₃、LiGaO₂、LiTaO₃、YAlO₃、YVO₄、ZnS、ZnSe、ZnTe、蓝宝石、云母、聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等；在本实施例单层石墨烯是生长在具有催化活性的多晶铜衬底上。

实施例4：在单晶Ni(111)衬底生长石墨烯薄膜

包括以下步骤：调节云母衬底的温度为400℃，采用真空热沉积在云母上沉积100nm厚的Ni薄膜，Ni薄膜沉积后再进行500℃热处理2h，从而得在云母上生长了Ni(111)；将生长的Ni(111)衬底传到超高真空室，调节衬底温度为900℃，往超高真空室通甲烷，并保持气压为2×10^-4Torr，采用微波将甲烷离化并沉积到Ni(111)衬底上20min，最后将衬底温度迅速将至室温而在整个Ni(111)衬底上双层石墨烯。

效果：产生活性碳原子或含碳活性基团的技术方法为能量粒子技术方法，包括但不限于射频处理、激光处理、电子束处理、中子束处理、离子束处理、等离子体处理、微波处理、X射线处理、α射线处理、β射线处理、γ射线处理、紫外线处理、红外线处理或热辐射处理。在本实施例中采用微波来离化甲烷，但也可以采用其它的能量粒子技术来离化。

用于生长石墨烯薄膜的衬底可以是具有催化活性的衬底如Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、TiC、HfC、WC、LaB₆或多晶铜的一种或其任意组合，也可以是不具有催化活性的衬底如半导体和绝缘体包括Si、GaN、Ge、ZnO、CuO、InAs、GaAs、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、BN、SiC、SiN_x、MgO、GeS、BaF₂、MgF₂、LaF₃、GaF₂、GaP、InP、LiF、InSb、BaTiO₃、LiNbO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、SrTiO₃、LaAlO₃、LiGaO₂、LiTaO₃、YAlO₃、YVO₄、ZnS、ZnSe、ZnTe、蓝宝石、云母、聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等；在本实施例中双层石墨烯是生长在具有催化活性的单晶Ni(111)衬底上。

实施例5：在SiO₂衬底上生长石墨烯薄膜

包括以下步骤：采用光刻及腐蚀方法在SiO₂表面形成宽度为100nm，厚度为0.5nm的条形图案；将有图案的Si/SiO₂衬底传送到石英管，达到高真空，并加热使衬底温度达到800℃；使液态乙醇汽化并经过激光处理产生含碳的活性基团，然后以Ar为载体将含碳活性基团导入石英管而在Si/SiO₂上生长石墨烯薄膜，生长5min后，将衬底温度以30℃/分钟的速率降至25℃，从而在SiO₂表面得到厚度约为3.35nm(10层)的石墨烯薄膜。

效果：SiO₂是当代硅基电子器件、数字/逻辑电路的重要介电材料，直接在SiO₂绝缘衬底生长石墨烯薄膜，将加速石墨烯技术与当代光电子工业的集成，降低成本。

产生活性碳原子或含碳活性基团的技术方法为能量粒子技术方法，包括但不限于射频处理、激光处理、电子束处理、中子束处理、离子束处理、等离子体处理、微波处理、X射线处理、α射线处理、β射线处理、γ射线处理、紫外线处理、红外线处理或热辐射处理。在本实施例中采用激光来离化液态乙醇，但也可以采用其它的能量粒子技术来离化。

用于生长石墨烯薄膜的衬底可以是具有催化活性的衬底如Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、TiC、HfC、WC、LaB₆或多晶铜的一种或其任意组合，也可以是不具有催化活性的衬底如半导体和绝缘体包括Si、GaN、Ge、ZnO、CuO、InAs、GaAs、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、BN、SiC、SiN_x、MgO、GeS、BaF₂、MgF₂、LaF₃、GaF₂、GaP、InP、LiF、InSb、BaTiO₃、LiNbO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、SrTiO₃、LaAlO₃、LiGaO₂、LiTaO₃、YAlO₃、YVO₄、ZnS、ZnSe、ZnTe、蓝宝石、云母、聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等；在本实施例中厚度为3.35nm的石墨烯薄膜合成在没有催化功能的绝缘的SiO₂衬底上。

上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种合成石墨烯薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用能量粒子技术方法从含有碳元素的固态碳源、液态碳源、气态碳源材料或前述碳源中任意两种或两种以上混合碳源材料中产生活性碳原子或含碳活性基团；

2)将产生的活性碳原子或含碳活性基团沉积在不具有催化活性的衬底或具有催化活性的衬底上形成石墨烯薄膜。

2.根据权利要求1所述的合成石墨烯薄膜的方法，其特征在于所述的能量粒子技术方法包括射频处理、激光处理、电子束处理、中子束处理、离子束处理、等离子体处理、微波处理、射线处理、紫外线处理或红外线处理。

3.根据权利要求1所述的合成石墨烯薄膜的方法，其特征在于所述的不具有催化活性的衬底包括半导体或绝缘体材料。

4.根据权利要求1所述的合成石墨烯薄膜的方法，其特征在于所述的具有催化活性的衬底包括Ni、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Mg、Mn、Rh、Ta、Ti、W、U、Zr、V、Pd、Ru、Ir、Re、TiC、HfC、WC、LaB₆或多晶铜的一种或其任意组合。

5.根据权利要求1所述的合成石墨烯薄膜的方法，其特征在于所述的活性碳原子是指能够形成石墨烯的碳原子；所述的含碳活性基团是指带有正碳离子或负碳离子的基团。

6.根据权利要求1所述的合成石墨烯薄膜的方法，其特征在于在所述衬底上形成的石墨烯薄膜的层数为1层至100层，优选为1层至10层，最优为1层至3层。