CN103353437A - 直观显示金属衬底上cvd石墨烯表面褶皱分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，包括：将未转移的CVD石墨烯连同金属衬底一起放入密闭腔体中，抽真空后通入惰性气体，然后加热，再通入与石墨烯反应的气体，待反应结束后停止加热，停止通入反应气体，保持惰性气体保护，最后降至室温，置于光学镜下观察即可。本发明的观察方法重复性高、简单易行；本发明通过选择性刻蚀的方法，使CVD石墨烯表面褶皱附近的石墨烯大量去除，从而通过低放大倍数的光学显微镜就可以观察到纳米级褶皱的分布情况。

Description

直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法
技术领域
本发明属于石墨烯材料表征领域，特别涉及一种直观显示金属衬底上化学气相沉积（CVD）石墨烯表面褶皱分布的方法。
背景技术
自2004年两位在俄罗斯出生的科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov发表第一篇有关石墨烯的论文后，石墨烯在科学界激起了巨大的波澜，它的出现有望在现代电子科技领域引发新一轮革命。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】，只有一个碳原子层，厚度仅有0.335nm。石墨烯具备很多优越的性能，例如高透光率、高电子迁移率、高电流密度、高机械强度、易于修饰等等。正因为这些特性，它被公认为制造透明导电薄膜、高频晶体管、储氢电池，乃至集成电路的理想材料，具有广阔的市场应用前景。
CVD法是一种适于制备大面积、高质量、连续石墨烯薄膜的方法，CVD石墨烯最大的优点是质量相对较高，适于大量生产。到目前为止，CVD石墨烯的质量与剥离法制备的石墨烯还有一定差距。由于石墨烯和金属衬底的热膨胀系数不同，因此在生长完降温的过程中石墨烯因为应力的释放会形成褶皱，通过研究发现这种由于应力引起的石墨烯表面的褶皱是影响CVD石墨烯质量的因素之一，因此，准确掌握石墨烯表面褶皱情况对于了解石墨烯质量以及进一步改进生长工艺非常重要。由于这类应力引起的石墨烯表面的褶皱尺寸在纳米级，因此需要AFM等高放大倍数的显微镜才能观察到，而这类显微镜往往价格昂贵，操作复杂，表征成本很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种直观显示金属衬底上化学气相沉积石墨烯表面褶皱分布的方法，可通过低放大倍数的常规光学显微镜清晰地观察到石墨烯表面褶皱的分布情况。
本发明的一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，包括：
将未转移的CVD石墨烯连同金属衬底一起放入密闭腔体中，抽真空后通入惰性气体，然后加热，再通入与石墨烯反应的气体，待反应结束后停止加热，停止通入反应气体，保持惰性气体保护，最后降温至室温，置于光镜下观察即可。可以清楚的看到部分石墨烯被刻蚀掉留下的条纹，被刻蚀的位置对应刻蚀前石墨烯褶皱的位置，从而使刻蚀前需要原子力显微镜（AFM）等超高放大倍数的显微镜才能观测的褶皱分布在放大倍数1000倍以下的常规光学显微镜下清晰显示出来。
所述的石墨烯为石墨烯连续膜或石墨烯单晶。
所述的金属衬底为铜、镍、钼、钌、铂等适于石墨烯制备的过渡金属以及这类金属的合金。
所述的惰性气体为氩气或氮气。
所述的加热温度为20-1200℃。
所述的与石墨烯反应的气体为氢气、氨气等任何可以和石墨烯反应的气体。
所述的反应过程中，气压为0.0001-760000torr。
所述的反应过程中反应时间为0.1-99999min。
本发明中所述的石墨烯连续膜其薄膜层数与均匀性不限；所述的石墨烯单晶其单晶形状和尺寸不限。
鉴于CVD石墨烯表面褶皱表征的重要性以及当下对此表征相对困难的事实，本发明的目的在于提供一种便于观察石墨烯表面褶皱分布的方法，通过低放大倍数的常规光学显微镜就可以清晰地观察到石墨烯表面褶皱的分布情况。
我们研究发现在高温还原气氛中石墨烯表面褶皱处会成为刻蚀的起始点，一段时间后会有较大面积的石墨烯被刻蚀掉，刻蚀掉的部分已经足以在低倍光学显微镜下清晰的观察到，因此，通过观察刻蚀的情况，我们就可以间接掌握石墨烯表面纳米级褶皱分布情况。
有益效果：
（1）本发明的观察方法重复性高、简单易行；
（2）本发明通过选择性刻蚀的方法，使CVD石墨烯表面褶皱附近的石墨烯大量去除，从而通过低放大倍数的光学显微镜就可以观察到纳米级褶皱的分布情况。
附图说明
图1为本发明实施实例所用刻蚀系统装置示意图；其中，1为进气气路，2为出气气路，3为衬底托，4为加热炉体，5为石英管；
图2为铜衬底上CVD石墨烯单晶样品在本发明实施例1处理前后的光镜图片，其中a为理前样品的光镜图片，b为处理后样品的光镜图片；
图3为本发明实施例2处理后样品的光镜图片。
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。
一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，包括以下步骤：将未转移的CVD石墨烯连同金属衬底一起放入密闭腔体，抽真空，通入惰性气体保护；加热使样品升高到一定温度；通入一定量可与石墨烯反应的气体，在一定气压下反应一定时间；停止加热，关闭氢气等反应气体，保持惰性气体保护；降温至室温，反应后的样品在光学显微镜下可以清楚的看到部分石墨烯被刻蚀掉留下的条纹，被刻蚀的位置对应刻蚀前石墨烯褶皱的位置，从而使刻蚀前需要原子力显微镜（AFM）等超高放大倍数的显微镜才能观测的纳米级褶皱在常规光学显微镜下清晰显示出来。所述的石墨烯包括石墨烯连续薄和石墨烯单晶。所述的石墨烯连续膜其薄膜层数与均匀性不限。所述的石墨烯单晶其单晶形状和尺寸不限。所述的金属衬底包括铜、镍、钼、钌、铂等适于石墨烯制备的过渡金属以及这类金属的合金。所述的一定温度为20-1200℃。所述的反应气体包括氢气、氨气等任何可以和石墨烯反应的气体。所述的一定量其具体数值要根据仪器腔体大小以及实验目标而定。所述的一定气压为0.0001-760000torr。所述的一定时间为0.-99999分钟。
实施例1
1）将长有CVD石墨烯单晶的铜衬底放入图1所示刻蚀系统装置的衬底托3上，抽真空后通入500sccm氩气至常压；
2）开始对衬底加热到950℃；
3）通入氢气200sccm保持20分钟，停止氢气供应，继续保持氩气保护，开始自然降温至室温，取出样品，刻蚀后的样品如图2b所示。
图2为铜衬底上CVD石墨烯单晶样品在实施例1处理前后的光镜图片，其中图2a为处理前样品的光镜图片，图2b为处理后样品的光镜图片。对比图2a和图2b可以清楚的看到处理后石墨烯单晶表面出现清晰的条纹。经过我们的研究，证实这些条纹是石墨烯被氢气刻蚀后留下的空缺，而刻蚀的起点就是石墨烯表面的褶皱，也就是说图2b中每一个条纹就对应样品处理前一个褶皱。因此我们在图2b看到的石墨烯表面条纹分布就对应处理前石墨烯表面的褶皱分布。
实施例2
1）将长有CVD石墨烯单晶的铜衬底放入图1所示刻蚀系统装置的衬底托3上，抽真空后通入500sccm氩气至常压；
2）开始对衬底加热到950℃；
3）通入氢气200sccm保持5分钟，停止氢气供应，继续保持氩气保护，开始自然降温至室温，取出样品。
处理后的光镜图片如图3所示。从图3可以看出，处理后石墨烯表面仍然出现了清晰的条纹，只是缩短反应时间后，条纹的宽度也随之变窄。
实施例3
1）将长有CVD石墨烯单晶的铜衬底放入图1所示刻蚀系统装置的衬底托3上，抽真空后通入500sccm氮气至常压；
2）开始对衬底加热到560℃；
3）通入氨气200sccm保持50分钟，停止氨气供应，继续保持氮气保护，开始自然降温至室温，取出样品。

Claims (8)

1.一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，包括：
将未转移的CVD石墨烯连同金属衬底一起放入密闭腔体中，抽真空后通入惰性气体，然后加热，再通入与石墨烯反应的气体，待反应结束后停止加热，停止通入反应气体，保持惰性气体保护，最后降至室温，置于光学镜下观察即可。
2.根据权利要求1所述的一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，其特征在于：所述的石墨烯为石墨烯连续膜或石墨烯单晶。
3.根据权利要求1所述的一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，其特征在于：所述的金属衬底为铜、镍、钼、钌、铂中的一种或几种的合金。
4.根据权利要求1所述的一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，其特征在于：所述的惰性气体为氩气或氮气。
5.根据权利要求1所述的一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，其特征在于：所述的加热为加热至20-1200℃。
6.根据权利要求1所述的一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，其特征在于：所述的与石墨烯反应的气体为氢气或氨气。
7.根据权利要求1所述的一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，其特征在于：所述的反应过程中气压为0.0001-760000torr。
8.根据权利要求1所述的一种直观显示金属衬底上CVD石墨烯表面褶皱分布的方法，其特征在于：所述的反应过程中反应时间为0.1-99999min。
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