CN103407988A - 一种低温制备石墨烯薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温制备石墨烯薄膜的方法。该方法包括如下步骤：1)金属基底上制备类金刚石（DLC）薄膜；2)在非氧化气氛中，一定温度下处理步骤1)所得覆有DLC薄膜的金属基底，DLC薄膜石墨化并在金属催化作用下形成石墨烯。该方法创新性的使用DLC作为石墨烯生长的前驱体，降低了石墨烯的制备温度，并可以通过在DLC制备过程中采用掩模板轻松实现石墨烯薄膜的图形化制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料石墨烯薄膜的生长方法，特别是一种低温制备石墨烯薄膜的方法。
背景技术
自从2004年石墨烯被发现以来，由于其独特的晶体结构特征, 吸引了科学家们的广泛关注。石墨烯具有许多独特的物理化学性质，如高的比表面积、优良的热稳定性、良好的导热导电性、高的机械强度等等。石墨烯是零带隙半导体，其载流子迁移率比硅高100倍，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，是纳米电路的理想材料。此外，石墨烯还具有完美的量子隧道效应及半整数量子霍尔效应等一系列性质。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、电池，超级电容器和储氢方面及纳米复合材料等领域有光明的应用前景
多年来，研究人员研发出了多种制备石墨烯的方法，主要包括：微机械剥离法（K.S.Novoselov, A.K.Geim, Science 2004,306,666.）、氧化石墨还原法（C.Berger, Z.Song, X.Li, Science 2006,312,1191.）、化学气相沉积法（X.Li，W.Cai, Science 2009,324,1312.）等。其中，机械剥离法获得的石墨烯性能优良，但是效率很低，过程不可控，并且重复性差；氧化石墨还原法虽然制备效率很高，但是所得的石墨烯质量往往很差，并且面积较小；化学气相沉积法因为能够制备大面积且层数可控的石墨烯薄膜从而成为了当前研究的热点。但通常情况下，为了能够使得碳源分解，其沉积温度都比较高（800-1000度）。这无疑对石墨烯的规模化制备是不利的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种低温制备大面积石墨烯的方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低温制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
a.在金属基底上沉积一层类金刚石DLC薄膜；
b.将步骤a所得的覆有DLC薄膜的金属基底置于非氧化性气氛中，升温至300～500℃，保温1～200分钟，DLC薄膜在高温下发生石墨化并在金属基底催化下形成石墨烯，在非氧化性气氛中降温至室温，得到覆于金属基底上的石墨烯薄膜。
上述步骤a中所述的沉积的方法为粒子束沉积、物理气相沉积、化学气相沉积中的一种。
上述步骤a中所述的DLC薄膜的厚度小于100纳米。
上述步骤a中所述的金属基底为铜、铁、镍箔中的至少一种。
上述步骤a中还采用掩膜板来实现DLC薄膜的图形化，进而得到图形化的石墨烯薄膜。
上述非氧化性气氛为氢气或者氢气和惰性气体的混合气体。
本发明对传统的化学气相沉积法制备石墨烯的方法做出改进，创新性的使用DLC薄膜作为生长石墨烯的前驱体，有效降低了石墨烯薄膜的制备温度，并可以通过在DLC制备过程中采用掩模板轻松实现石墨烯薄膜的图形化制备。并且所得石墨烯薄膜只存在于金属基底的一面，避免了在石墨烯薄膜转移过程中额外的背面石墨烯的处理步骤。
附图说明
图1为本发明实施例一所得石墨烯薄膜的拉曼谱图；
图2为本发明实施例一所得石墨烯薄膜的透过率曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：具体步骤为：
1)前处理：将厚度为25微米，纯度99.8wt%的铜箔（1cm*1cm）依次在丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗20分钟，氮气吹干。
2）制备DLC薄膜：采用射频等离子体增强化学气相沉积技术在步骤1）所得铜基底上制备一层DLC薄膜，反应气体为纯度99.999%的甲烷和氢气的混合气（甲烷1%），反应室的本底真空度为 
Pa，沉积时的气压为266Pa，射频功率为200W，沉积时间5分钟。
3）石墨烯生长：将步骤2）所得覆有DLC薄膜的铜基底置于CVD反应室中，抽真空至反应室中压强降至0.1Pa以下，通入氢气/氩气混合气体（氢气10%）至常压，重复此步骤2-3次，控制混合气体流量为100sccm，升温至400度，压强650Pa下保温30分钟，保持气体流速不变，降温至室温。
4）所得石墨烯薄膜的拉曼谱图如图1所示，薄膜的透过率曲线如图2所示。
实施例2
1）前处理：将厚度为505微米，纯度99.8wt%的镍箔（1cm*1cm）依次在丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗20分钟，氮气吹干。
2)制备图形化DLC薄膜：采用射频等离子体增强化学气相沉积技术在步骤1）所得镍基底上制备一层DLC薄膜，反应气体为纯度99.999%的甲烷和氢气的混合气（甲烷1%），反应室的本底真空度为
Pa，沉积时的气压为188Pa，射频功率为200W，沉积时间30分钟。
3)图形化石墨烯生长：将步骤2）所得覆有DLC薄膜的镍基底置于CVD反应室中，抽真空至反应室中压强降至0.1Pa以下，通入氩气至常压，重复此步骤2-3次，控制混合气体流量为100sccm，升温至500度，压强500Pa下保温60分钟，保持气体流速不变，降温至室温。
实施例3
1）前处理：将铜镍合金箔（1cm*1cm）依次在丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗20分钟，氮气吹干。
2)制备图形化DLC薄膜：采用射频等离子体增强化学气相沉积技术在步骤1）所得铜镍镍合金基底上制备一层DLC薄膜，反应气体为纯度99.999%的甲烷和氢气的混合气（甲烷1%），反应室的本底真空度为Pa，沉积时的气压为188Pa，射频功率为200W，沉积时间10分钟。
3)图形化石墨烯生长：将步骤2）所得覆有DLC薄膜的铜镍合金基底置于CVD反应室中，抽真空至反应室中压强降至0.1Pa以下，通入氩气至常压，重复此步骤2-3次，控制混合气体流量为100sccm，升温至500度，压强500Pa下保温60分钟，保持气体流速不变，降温至室温。
Claims (6)
1.一种低温制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
a.在金属基底上沉积一层类金刚石DLC薄膜；
b.将步骤a所得的覆有DLC薄膜的金属基底置于非氧化性气氛中，升温至300～500℃，保温1～200分钟，DLC薄膜在高温下发生石墨化并在金属基底催化下形成石墨烯，在非氧化性气氛中降温至室温，得到覆于金属基底上的石墨烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的低温制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于步骤a中所述的沉积的方法为粒子束沉积、物理气相沉积、化学气相沉积中的一种。
3.根据权利要求1所述的低温制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于步骤a中所述的DLC薄膜的厚度小于100纳米。
4.根据权利要求1所述的低温制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于步骤a中所述的金属基底为铜、铁、镍箔中的至少一种。
5.根据权利要求1、2或3所述的低温制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于步骤a中还采用掩膜板来实现DLC薄膜的图形化，进而得到图形化的石墨烯薄膜。
6.根据权利要求1所述的低温制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于所述非氧化性气氛为氢气或者氢气和惰性气体的混合气体。
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Application publication date: 20131127 |