CN103343328A - 一种正压条件下合成石墨烯的方法 - Google Patents

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吕鹏
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Abstract

本发明公开了一种正压条件下合成石墨烯的方法，其特征在于：石墨烯在化学气象沉积系统的反应腔内生长，生长条件为反应腔内压强高于标准大气压的正压条件。本发明在正压条件下合成石墨烯，对铜箔的质量要求低，解决了目前市场只有个别种类的铜箔可用于铜基底石墨烯的大面积合成，使得多种铜箔可用于石墨烯的生长，避免了石墨烯工业化生产受铜箔原料限制的现象出现，对石墨烯的产业化应用具有重要意义。

Description

一种正压条件下合成石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯的合成方法。
背景技术
石墨烯（Graphene），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维纳米材料。2004年，英国曼彻斯特大学的科学家利用胶带剥离高定向热解石墨(HOPG)获得了独立存在的高质量石墨烯，并提出了表征石墨烯的光学方法，对其电学性能进行了系统研究，发现石墨烯具有很特异的物理化学特性，从而掀起了石墨烯研究的热潮。
石墨烯是目前世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，透光率为97.7%。石墨烯具有以下优异性能：导热系数高，电子迁移率高，目前世上电阻率最小，厚度最薄、比表面积也较大，超过金刚石的强度、弹性模数和导热率，室温下也可呈现量子霍尔效应，透射率为100％的通道效应，负折射率等。由于其优异的性能，石墨烯可应用于：1）制造更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管；2）制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池；3）制造电池的电极材料、散热膜、传感器，或是理想的阻挡膜；4）制造超高精度的气体传感器和应变传感器；5）用于通信领域，已造出了超高速的光调制器等等。
但目前石墨烯的研究还主要出于基础研究阶段，其中一个重要的原因就是石墨烯的制备问题。目前石墨烯的制备方法主要有：机械剥离法（Novoselov,K.S.;Geim,A.K.;Morozov,S.V.;Jiang,D.;Zhang,Y.;Dubonos,S.V.;Grigorieva,I.V.;Firsov,A.A.Science,2004,306,666-669）、取向附生法（Sutter,P.W.;Flege,J.-I.;Sutter,E.A.Nature Materials,2008,5,406-411）、氧化石墨还原法（Stankovich,S.;Dikin,D.A.;Piner,R.D.;Kohlhaas,K.A.;Kleinhammes,A.;Jia,Y.;Wu,Y.;Nguyen,S.T.;Ruo,R.S.Carbon,2007,45,1558-1565）、外延生长法（Berger,C.;Song,Z.;Li,T.;Li,X.;Ogbazghi,A.Y.;Feng,R.;Dai,Z.;Marchenkov,A.N.;Conrad,E.H.;First,P.N.;Heer,W.A.Journal Physical Chemistry B,2004,108,19912-19916）以及化学气相沉积法（Srivastava,S.K.;Shukla,A.K.;Vankar,V.D.;Kumar,V.Thin Solid Films,2005,492,124-130）。
其中化学气相沉积法可满足规模化制备高质量、大面积石墨烯的要求，因此被普遍使用。但现阶段化学气象沉积的生产工艺都控制在负压或常压条件下，对铜箔的质量要求高，使得多种铜箔都不能用于生长大面积的铜基底石墨烯，制约了石墨烯的工业化进程。
发明内容
本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种正压条件下合成石墨烯的方法，以期可以实现多种铜箔都能用于生长铜基底石墨烯。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明正压条件下合成石墨烯的方法，其特点在于：所述石墨烯在化学气象沉积系统的反应腔内生长，生长条件为反应腔内压强高于标准大气压的正压条件。
本发明正压条件下合成石墨烯的方法，其特点是按如下步骤进行：
a、准备阶段：将铜箔放入化学气象沉积系统的反应腔内，通入无氧气体清洗反应腔，使反应腔内为无氧环境；在为无氧环境的反应腔内继续充入无氧气体至反应腔内为正压条件，关闭反应腔的进气阀和抽气阀；
b、升温阶段：将完成步骤a的反应腔内温度在30-120分钟内升至700-1200℃；
c、恒温阶段：保持升温阶段所升至的温度10-100分钟；
d、生长阶段：恒温阶段结束后，保持恒温温度打开反应腔的进气阀和抽气阀，将流量为5sccm-50sccm的含碳气体和流量为50sccm-400sccm的无氧气体同时向反应腔通入10-30分钟，并维持反应腔内气压不大于0.1MPa；
e、降温阶段：生长阶段结束后，将反应腔以不低于5℃/分钟的速率降温，待反应腔内温度降至室温时，取出铜箔，在所述铜箔的表面生长有石墨烯。
本发明正压条件下合成石墨烯的方法，其特点也在于是：所述无氧气体为氩气、氢气和氦气中的一种或者任意组合。
所述正压条件为0.1MPa-0.2MPa。
所述含碳气体为甲烷、乙炔或酒精。
所述铜箔的纯度不低于97%。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明在正压条件下合成石墨烯，对铜箔的质量要求低，解决了目前市场只有个别种类的铜箔可用于铜基底石墨烯的大面积合成，使得多种铜箔可用于石墨烯的生长，避免了石墨烯工业化生产受铜箔原料限制的现象出现，对石墨烯的产业化应用具有重要意义；
2、本发明所合成的石墨烯均匀性好、导电性高；
3、本发明合成的石墨烯的方法简单易行，稳定可靠。
附图说明
图1为本发明实施例1合成的铜基底石墨烯拉曼图；
图2为本发明实施例1合成的铜基底石墨烯转移在氧化硅片上的SEM图；
图3为本发明实施例2合成的铜基底石墨烯拉曼图。
具体实施方式
实施例1
本实施例正压条件下合成石墨烯的方法，是按如下步骤进行：
a、准备阶段：将裁剪成2cm×3cm的电解铜箔（联合铜箔有限公司）放入真空管式炉（CVD炉）反应腔的中间位置，通入50sccm氩气清洗反应腔，使反应腔内为无氧环境；在为无氧环境的反应腔内继续充入氩气至反应腔内气体压强达到0.15MPa，封闭反应腔的进气阀和抽气阀；此处的气压为正压条件，即反应腔内气压高于标准大气压，经大量实验证实，当正压条件为0.1MPa-0.2MPa时，反应效果最佳。
b、升温阶段：将完成步骤a的反应腔内温度在40分钟升温至800℃；
c、恒温阶段：保持升温阶段所升至的温度20分钟；
d、生长阶段：恒温阶段结束后，保持恒温温度打开反应腔的进气阀和抽气阀，将甲烷10sccm和氩气50sccm连续通入反应腔10分钟，并维持反应腔内气压为0.01MPa；此时气压要求不苛刻，只要是不大于标准大气压都可以使石墨烯生长，0.01MPa为优选值。
e、降温阶段：生长阶段结束后，将反应腔以10℃/分钟的速率降温，待反应腔内温度降至室温时，取出铜箔，在铜箔的表面生长有石墨烯。
本实施例合成的铜箔基底石墨烯的拉曼图如图1所示，从图中可以看出拉曼图谱中的2D峰/G峰（强度）大于2，说明合成的石墨烯是单层的石墨烯。
将本实施例所合成的石墨烯分散在氧化硅片上，如图2的SEM图所示，从图中可以看出所合成石墨烯表面平整、干净，且从图中石墨烯的边缘也可以看出合成的石墨烯是单层的石墨烯。
实施例2
本实施例正压条件下合成石墨烯的方法，是按如下步骤进行：
a、准备阶段：把裁剪成5cm×10cm的压延铜箔（合肥科晶材料技术有限公司）放入真空管式炉（CVD炉）反应腔的中间位置，通入30sccm氢气清洗反应腔，使反应腔内为无氧环境；在为无氧环境的反应腔内继续充入氩气至反应腔内气体压强达到0.13MPa，封闭反应腔的进气阀和抽气阀；
b、升温阶段：将完成步骤a的反应腔内温度在100分钟升温至1100℃；
c、恒温阶段：保持升温阶段所升至的温度80分钟；
d、生长阶段：恒温阶段结束后，保持恒温温度打开反应腔的进气阀和抽气阀，将乙炔20sccm和氢气100sccm同时向反应腔通入25分钟，并维持反应腔内气压为8000Pa；
e、降温阶段：生长阶段结束后，将反应腔以13℃/分钟的速率降温，待反应腔内温度降至室温时，取出铜箔，在铜箔的表面生长有石墨烯。
本实施例合成的铜箔基底石墨烯的拉曼图如图3所示，可以看出拉曼图谱中的2D峰/G峰（强度）大于2，说明合成的石墨烯是单层的石墨烯。
本方法在正压条件下合成石墨烯，对铜箔的质量要求低，解决了目前市场只有个别种类的铜箔可用于铜基底石墨烯的大面积合成，使得多种铜箔可用于石墨烯的生长，避免了石墨烯工业化生产受铜箔原料限制的现象出现，对石墨烯的产业化应用具有重要意义；同时本方法所合成的石墨烯均匀性好、导电性高。

Claims (6)

1.一种正压条件下合成石墨烯的方法，其特征在于：所述石墨烯在化学气象沉积系统的反应腔内生长，生长条件为反应腔内压强高于标准大气压的正压条件。
2.根据权利要求1所述的正压条件下合成石墨烯的方法，其特征是按如下步骤进行：
a、准备阶段：将铜箔放入化学气象沉积系统的反应腔内，通入无氧气体清洗反应腔，使反应腔内为无氧环境；在为无氧环境的反应腔内继续充入无氧气体至反应腔内为正压条件，关闭反应腔的进气阀和抽气阀；
b、升温阶段：将完成步骤a的反应腔内温度在30-120分钟内升至700-1200℃；
c、恒温阶段：保持升温阶段所升至的温度10-100分钟；
d、生长阶段：恒温阶段结束后，保持恒温温度打开反应腔的进气阀和抽气阀，将流量为5sccm-50sccm的含碳气体和流量为50sccm-400sccm的无氧气体同时向反应腔通入10-30分钟，并维持反应腔内气压不大于0.1MPa；
e、降温阶段：生长阶段结束后，将反应腔以不低于5℃/分钟的速率降温，待反应腔内温度降至室温时，取出铜箔，在所述铜箔的表面生长有石墨烯。
3.根据权利要求1或2所述的正压条件下合成石墨烯的方法，其特征是：所述正压条件为0.1M Pa-0.2MPa。
4.根据权利要求2所述的正压条件下合成石墨烯的方法，其特征是：所述无氧气体为氩气、氢气和氦气中的一种或者任意组合。
5.根据权利要求2所述的正压条件下合成石墨烯的方法，其特征是：所述含碳气体为甲烷、乙炔或酒精。
6.根据权利要求2所述的正压条件下合成石墨烯的方法，其特征是：所述铜箔的纯度不低于97%。
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