CN103352249A - 增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法 - Google Patents

增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103352249A
CN103352249A CN2013102368920A CN201310236892A CN103352249A CN 103352249 A CN103352249 A CN 103352249A CN 2013102368920 A CN2013102368920 A CN 2013102368920A CN 201310236892 A CN201310236892 A CN 201310236892A CN 103352249 A CN103352249 A CN 103352249A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crystal domain
substrate
domain size
vapour deposition
chemical vapour
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2013102368920A
Other languages
English (en)
Inventor
张燕辉
于广辉
陈志蓥
王彬
张浩然
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS filed Critical Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority to CN2013102368920A priority Critical patent/CN103352249A/zh
Publication of CN103352249A publication Critical patent/CN103352249A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

本发明涉及一种增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，包括：将衬底置入独立腔室中，加热使衬底温度达到500-1600℃；然后在惰性气体保护下通入含碳气体，在0.1-760torr下反应，反应结束后降至室温，即可。本发明简单易操作，本发明的方法可以使相同衬底上制备的多晶石墨烯单晶晶畴尺寸增大数倍甚至10倍以上，重复性高并且不影响其他生长参数对石墨烯生长的控制。

Description

增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法
技术领域
本发明属于石墨烯的制备领域，特别涉及一种增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法。
背景技术
石墨烯是由sp2杂化的碳原子组成的六角蜂窝状二维无机晶体材料【A.K.Geim,K.S.Novoselov,Nature Materials,2007,6,183-191】，可视为各维碳材料（零维巴基球、一维碳纳米管、三维石墨）的基本结构单元。在石墨烯中发现的量子霍尔效应、弱局域化效应等新奇的物理性质为基础物理研究提供了模型，并且其高电子迁移率、高透光率、高机械强度、抗氧化、易修饰等优良性能，使石墨烯在纳米电子学，自旋电子学以及环保等领域具有广阔的应用前景。
目前在高定向热解石墨机械剥离法、SiC热蒸发法、氧化石墨烯还原法、碳纳米管切割法等众多制备方法中，化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）法在制备大面积高质量连续石墨烯方面最具优势。目前使用化学气相沉积法已经在钴（Co）【A.Varykhalov andO.Rader,Phys.Rev.B,2009,80,035437】，镍（Ni）【K.S.Kim,Y.Zhao,H.Jang,S.Y.Lee,J.M.Kim,K.S.Kim,J.H.Ahn,P.Kim,J.Y.Choi and B.H.Hong,Nature,2009,457,706】，铜（Cu）【X.Li,W.Cai,J.An,S.Kim,J.Nah,D.Yang,R.Piner,A.Velamakanni,I.Jung,E.Tutuc,S.K.Banerjee,L.Colombo and R.S.Ruoff,Science,2009,324,1312】，钌（Ru）【P.W.Sutter,J.I.Flege and E.A.Sutter,Nat.Mater.,2008,7,406】，钯（Pd）【S.Y.Kwon,C.V.Ciobanu,V.Petrova,V.B.Shenoy,J.Bareno,V.Gambin,I.Petrov and S.Kodambaka,NanoLett.,2009,9,3985】，依（Ir）【J.Coraux,A.T.N’Diaye,C.Busse and T.Michely,Nano Lett.,2008,8,565】等过渡金属上制备出了石墨烯薄膜。但是，目前CVD方法制备的石墨烯为多晶结构，因为单晶晶粒尺寸太小而使目前制备的石墨烯样品的性质与理论值相差很大【Huang PY,Ruiz-Vargas CS,Whitney WS,Levendorf MP,Kevek JW,Garg S.Nature.2011;469:389】，因此增大多晶石墨烯单晶晶粒尺寸是最提高石墨烯性质的最有效的方法。目前已报道的增大多晶石墨烯单晶晶粒尺寸的方法主要是通过延长退火时间【Wang H,Wang G,Bao P,Yang S,Zhu W,Xie X,et al.J.Am.Chem.Soc.,2012,134】等方法，而通过使用复合腔体增大多晶石墨烯单晶晶畴尺寸的报道还没有看到。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种增大化学气相沉积CVD石墨烯单晶晶畴尺寸的方法及其装置，该方法简单易行、重复性好，在同等生长条件下可使石墨烯单晶晶畴的尺寸增大数倍，甚至10倍以上，该装置简单易操作。
本发明的增大化学气相沉积CVD石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，包括：
将衬底置入独立腔室中，加热使衬底温度达到500-1600℃；然后在惰性气体保护下通入含碳气体，在0.1-760torr下反应，反应结束后降至室温，即可。
所述的衬底为金属衬底或非金属衬底；所述的金属衬底为铜、镍、钴、钼、钌、金中一种或几种的合金；所述的非金属衬底为硅、二氧化硅、蓝宝石、玻璃中的一种。
所述的衬底事先依次用四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水超声清洗后烘干。
所述的含碳气体为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷、酞菁中的一种或几种。
上述方法所采用的化学气相沉积装置，包括：石英管、加热炉体，衬底托，进气气路，排气气路；所述的加热炉体位于石英管外部，可上下移动的衬底托位于石英管的腔体中，进气气路和排气气路分别位于石英管的上下两端，所述的衬底托上放置有独立腔室。
所述的独立腔室为单独一个腔体或多个腔体组合成的多层复合腔体。
所述的多层复合腔体由多个腔体并排组成，或由多个腔体穿插形成，或由多个腔体嵌套组成。
所述的独立腔室包括圆柱型形石英管，以及分别位于圆柱型形石英管上下两端的第一石英圆片和第二石英圆片，所述的第一石英圆片上开有通气孔。
所述的第一石英圆片上开有6个通气孔。
所述的第一石英圆片上方贴合放置可移动以改变有效通气孔数量的第三石英圆片。
本发明所用的衬底没有特殊要求，传统化学气相沉积方法制备石墨烯常用的衬底，比如铜、镍等过渡金属或者二氧化硅、蓝宝石等绝缘衬底都适用于本发明。
有益效果：
（1）本发明不影响其他生长参数（比如反应温度，反应气压，各种反应气体分压等）对石墨烯生长的控制；
（2）本发明在传统化学气相沉积方法生长石墨烯时，通过引入一个独立腔室可以使多晶石墨烯单晶晶畴尺寸在相同生长条件下明显增加。
附图说明
图1本发明中实施实例实验所用化学气相沉积系统装置及引入的独立腔室的位置示意图；其中，1为石英管，2为加热炉体，3为衬底托，4为进气气路，5为排气气路，6为引入的独立腔室；
图2为本发明中实施例所用的独立腔室示意图，其中6为独立腔室，7为第三石英圆片，8为第一石英圆片，9为通气孔，10为圆柱型形石英管，11为第二石英圆片；
图3为本发明实施例2同等生长条件下独立腔室内外样品光镜图片，其中a为独立腔室内样品光镜图片，标尺为200微米，b为独立腔室外样品光镜图片，标尺为20微米。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些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。
一种增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，包括：
将衬底置入化学气相沉积装置的独立腔室中，加热使衬底温度达到500-1600℃；然后在惰性气体保护下通入含碳气体，在0.1-760torr下反应，反应结束后降至室温，即可所述的独立腔室其尺寸为可以放入CVD原腔室的任意尺寸；所述的独立腔室可以是独立的容器也可以通过改造CVD原腔室实现；所述的“改造”包括通过增加隔板等手段将原CVD原腔室隔离出独立腔室，所述的独立腔室其形状不限；所述的独立腔室通过开孔与CVD主腔体实现气体交换；所述的用于连通独立腔室和CVD原腔室的孔其尺寸、形状、位置、数量不限；所述的独立腔室可以是单独一个腔体也可以是几个不同尺寸的腔体组合成的多层复合腔体；所述的“组合”包括将多个腔室通过并排，穿插，嵌套等方式组合成独立腔室。
实施例1
在铜衬底上制备石墨烯单晶畴
本实例所采用的化学气相沉积装置（如图1所示），包括：石英管1、加热炉体2，衬底托3，进气气路4，排气气路5；所述的加热炉体2位于石英管1外部，可上下移动的衬底托3位于石英管1的腔体中，进气气路4和排气气路5分别位于石英管1的上下两端，其特征在于，所述的衬底托3上放置有独立腔室6。
所述的独立腔室6（如图2所示）包括圆柱型形石英管10，以及分别位于圆柱型形石英管10上下两端的第一石英圆片8和第二石英圆片11，所述的第一石英圆片8上开有6个通气孔9，第一石英圆片上方贴合放置可移动以改变有效通气孔数量的第三石英圆片7；
其中第三石英圆片7为单面磨沙，直径为6cm，厚度为2mm磨沙面超下；石英圆片8为双面磨沙的石英圆片，直径为2cm，厚度为1mm，其上开六通气孔9，通气孔的直径为1mm；圆柱型形石英管10为双面磨沙，其直径为5cm厚度为2mm；第二石英圆片11为单面磨沙，其直径为6cm，厚度为2mm。
其具体使用操作如下
（1）将铜片依次用四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水超声清洗后烘干。将洁净的衬底放入小石英盒，具体操作为，先将单面磨砂的石英片磨砂面朝上放在衬底托中央，将衬底放在石英片的中央，将磨砂的圆柱形石英管放在石英片正中央，再将带孔的单面磨砂石英片磨砂面向下盖在圆柱形石英管上，本次实验并没有用小石英片来遮挡大石英片的孔，即通过六个孔和CVD腔体进行气体交换。用真空泵抽除石英管内空气并通入600SCCM高纯Ar气，待石英管中气压达到常压时按设定程序开始加热炉体；
（2）当炉体内衬底托的温度达到1000℃时，将氩气流量调到800SCCM并开始通入200SCCM氢气开始退火过程。50分钟后将氩气和氢气的流量分别调到1000SCCM和5SCCM，十分钟后通入0.5SCCM5%的甲烷作为碳源气体，同时使石英管内保持常压（1atm），反应开始；
（3）反应进行60分钟后停止通入甲烷和氢气，继续通入300SCCM Ar气，衬底温度10分钟从1050℃降到800℃，之后停止加热，使炉体自然降温至室温后取出样品，所得石墨烯样品光镜图片与同等生长条件下结果的对比如如图3所示。
从图3中可以明显看出同等生长条件下，独立腔室中样品的石墨烯单晶晶畴尺寸远大于独立腔室外的样品，独立腔室内的样品其石墨烯单晶尺寸在300微米左右，而腔室外的样品其石墨烯单晶尺寸只有20微米左右，尺寸增大超过10倍。

Claims (6)

1.一种增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，包括：
将衬底置入化学气相沉积装置的独立腔室中，加热使衬底温度达到500-1600℃；然后在惰性气体保护下通入含碳气体，在0.1-760torr下反应，反应结束后降至室温，即可。
2.根据权利要求1所述的增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，其特征在于：所述的衬底为金属衬底或非金属衬底；所述的金属衬底为铜、镍、钴、钼、钌、金中一种或几种的合金；所述的非金属衬底为硅、二氧化硅、蓝宝石、玻璃中的一种。
3.根据权利要求1所述的增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，其特征在于：所述的衬底事先依次用四氯化碳、丙酮、酒精、去离子水超声清洗后烘干。
4.根据权利要求1所述的增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，其特征在于：所述的含碳气体为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷、酞菁中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，其特征在于：所述的独立腔室为单独一个腔体或多个腔体组合成的多层复合腔体。
6.根据权利要求1所述的增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法，其特征在于：所述的多层复合腔体由多个腔体并排组成，或由多个腔体穿插形成，或由多个腔体嵌套组成。
CN2013102368920A 2013-06-14 2013-06-14 增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法 Pending CN103352249A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2013102368920A CN103352249A (zh) 2013-06-14 2013-06-14 增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2013102368920A CN103352249A (zh) 2013-06-14 2013-06-14 增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103352249A true CN103352249A (zh) 2013-10-16

Family

ID=49308657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2013102368920A Pending CN103352249A (zh) 2013-06-14 2013-06-14 增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103352249A (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104152991A (zh) * 2014-09-02 2014-11-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 具有特定形状且排列整齐的石墨烯单晶畴的制备方法
CN104316086A (zh) * 2014-11-13 2015-01-28 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器及制作方法
CN104928649A (zh) * 2015-04-20 2015-09-23 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 局域供碳装置及局域供碳制备晶圆级石墨烯单晶的方法
CN104975344A (zh) * 2015-07-09 2015-10-14 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于氧化亚铜薄膜衬底低成核密度石墨烯单晶的制备方法
WO2016086477A1 (zh) * 2014-12-03 2016-06-09 连丽君 一种于硅基片上直接生长石墨烯膜的方法
CN106248649A (zh) * 2016-08-01 2016-12-21 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于石墨烯的表面增强拉曼基底及其制备方法
CN110078054A (zh) * 2019-05-10 2019-08-02 淮海工学院 一种石墨烯-碳纳米管三维复合物的制备方法及其应用
CN110438470A (zh) * 2019-07-22 2019-11-12 中国航发北京航空材料研究院 一种增加石墨烯晶畴尺寸的方法
CN112921396A (zh) * 2021-01-26 2021-06-08 南方科技大学 单晶石墨烯薄膜的制备方法
CN113981542A (zh) * 2021-11-02 2022-01-28 山东大学 一种调控腔体压强制备高质量单晶畴二维材料的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102344131A (zh) * 2011-07-06 2012-02-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种在钼基衬底上制备石墨烯薄膜的方法
CN102874801A (zh) * 2012-10-15 2013-01-16 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种石墨烯的制备方法
US20130089666A1 (en) * 2011-10-07 2013-04-11 International Business Machines Corporation Substrate Holder for Graphene Film Synthesis

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102344131A (zh) * 2011-07-06 2012-02-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种在钼基衬底上制备石墨烯薄膜的方法
US20130089666A1 (en) * 2011-10-07 2013-04-11 International Business Machines Corporation Substrate Holder for Graphene Film Synthesis
CN102874801A (zh) * 2012-10-15 2013-01-16 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种石墨烯的制备方法

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104152991A (zh) * 2014-09-02 2014-11-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 具有特定形状且排列整齐的石墨烯单晶畴的制备方法
CN104316086A (zh) * 2014-11-13 2015-01-28 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种基于石墨烯纳米墙的气流传感器及制作方法
WO2016086477A1 (zh) * 2014-12-03 2016-06-09 连丽君 一种于硅基片上直接生长石墨烯膜的方法
CN104928649A (zh) * 2015-04-20 2015-09-23 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 局域供碳装置及局域供碳制备晶圆级石墨烯单晶的方法
CN104928649B (zh) * 2015-04-20 2017-12-05 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 局域供碳装置及局域供碳制备晶圆级石墨烯单晶的方法
CN104975344A (zh) * 2015-07-09 2015-10-14 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于氧化亚铜薄膜衬底低成核密度石墨烯单晶的制备方法
CN106248649A (zh) * 2016-08-01 2016-12-21 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于石墨烯的表面增强拉曼基底及其制备方法
CN110078054A (zh) * 2019-05-10 2019-08-02 淮海工学院 一种石墨烯-碳纳米管三维复合物的制备方法及其应用
CN110078054B (zh) * 2019-05-10 2022-11-29 淮海工学院 一种石墨烯-碳纳米管三维复合物的制备方法及其应用
CN110438470A (zh) * 2019-07-22 2019-11-12 中国航发北京航空材料研究院 一种增加石墨烯晶畴尺寸的方法
CN112921396A (zh) * 2021-01-26 2021-06-08 南方科技大学 单晶石墨烯薄膜的制备方法
CN113981542A (zh) * 2021-11-02 2022-01-28 山东大学 一种调控腔体压强制备高质量单晶畴二维材料的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103352249A (zh) 增大化学气相沉积石墨烯单晶晶畴尺寸的方法
CN102344131B (zh) 一种在钼基衬底上制备石墨烯薄膜的方法
Wu et al. A review of graphene synthesis by indirect and direct deposition methods
CN102092710B (zh) 一种规则石墨烯及其制备方法
Dato et al. Clean and highly ordered graphene synthesized in the gas phase
CN103359723B (zh) 石墨烯纳米窄带的制备方法
CN102001650B (zh) 冷腔壁条件下化学气相沉积制备石墨烯的方法
CN103981507A (zh) 一种石墨烯制备方法
WO2007078005A1 (ja) 配向カーボンナノチューブ・バルク集合体ならびにその製造方法および用途
CN102849961A (zh) 在基板上成长碳薄膜或无机材料薄膜的方法
Li et al. Progress in large-scale production of graphene. Part 2: vapor methods
CN108033439B (zh) 一种等离子体辅助溅射固态碳源的石墨烯低温制备方法
CN104018136B (zh) 直接在三维结构基片上全表面共形覆盖石墨烯薄膜的方法
CN103436854B (zh) 一种石墨烯和碳纳米管复合材料的制备方法
CN102102220A (zh) 金刚石（111）面上的石墨烯制备方法
Xiao et al. The study of the effects of cooling conditions on high quality graphene growth by the APCVD method
CN104036878A (zh) 一种石墨烯和碳纳米管三维结构材料的制备方法
CN103407988A (zh) 一种低温制备石墨烯薄膜的方法
CN106006619A (zh) 一种特定尺寸的石墨烯的制备方法
CN104211054B (zh) 一种可控制备石墨烯的方法
CN103359721B (zh) 石墨烯纳米窄带的制备方法
WO2016149934A1 (zh) 石墨烯的生长方法
CN102367570A (zh) 一种制备金刚石-石墨烯复合膜的方法
CN102897841A (zh) 一种二硫化钨微米结构的制备方法
CN104973588B (zh) 一种高导电、高导热、柔性的三维石墨烯材料与制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20131016