CN104495814A - 一种插层式制备石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种插层式制备石墨烯的方法，步骤一，对硬质基底和缓冲层进行清洗和预处理；步骤二，将硬质基底放入石英管底部，然后依次上下交替的放入多层金属催化剂层和缓冲层；步骤三，通入氢气，进行升温至生长温度；步骤四，向石英管腔体内通入碳源气体和氢气；步骤五，生长完成后，待腔体降至室温，取出样品。本发明采用插层式结构将金属催化剂层放入石英管中制备石墨烯，突破了石英管尺寸的限制，增加了单次制备石墨烯薄膜的数量，提高了石英管内部空间的利用率，装卸样简单易操作，适合大规模生产，缓冲层将金属催化剂层之间隔开，避免了直接叠放金属催化剂层产生的粘连。

Description

一种插层式制备石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种插层式制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是碳原子按照sp2杂化成键构成的蜂窝状单层碳材料，其特殊的晶体结构赋于了石墨烯许多优异的物理性质，如室温量子霍尓效应、高载流子迁移速率、高热导率、长程弹道输运性质等。这些优异的物理性质使得石墨烯成为最具潜力的电子材料之一。

目前，制备石墨烯的方法主要包括机械剥离法、SiC晶体外延生长法、氧化石墨还原法及在过渡金属上的化学气相沉积法。机械剥离法主要用于实验室制备高质量石墨烯样品，但是制备出来的石墨烯尺寸较小、层数难以控制，且产量低。SiC晶体外延生长法可以制备出大尺寸多层石墨烯，由于SiC单晶价格昂贵，从而导致其制备成本较高。氧化石墨还原法可以制备出大量多层石墨烯，但是分离石墨烯的不同层数较困难，且制备得到的石墨烯尺寸小、质量差。目前制备大面积高质量石墨烯的方法主要是在铜、镍等金属薄膜上的化学气相沉积法。

现有石墨烯的CVD法制备过程中，金属基底一般直接置于石英管内部，由于加热设备的空间有限，限制了一次性生长的石墨烯薄膜的大小和数量；若为了增加单次制备的数量而使用更超大型的加热设备会带来很高的固定设备成本，并且在沉积石墨烯的过程中，当石英舟管径较大时，退火后金属基底硬度急剧下降，使得金属基底褶皱变形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种插层式制备石墨烯的方法，该方法突破了加热设备的空间限制，充分利用了加热空间，提高了单次制备石墨烯的数量，提高了加热设备的使用效率，节省了成本。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种插层式制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

步骤一，对硬质耐高温基底和缓冲层进行清洗和预处理；

步骤二，将硬质耐高温基底放入石英管底部，然后依次上下交替的放入多层金属催化剂层和缓冲层；

步骤三，通入氢气，进行升温至生长温度；

步骤四，向石英管腔体内通入碳源气体和氢气(如果硬质基底或缓冲层含碳，可以作为碳源，只需通入氢气)；

步骤五，生长完成后，待腔体降至室温，取出样品。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤一中清洗为在丙酮、乙醇、去离子水中一种或几种中分别进行超声清洗。

进一步，所述步骤一中预处理为采用纯度为99.99％的氮气进行吹干。

进一步，所述步骤一中硬质基底为耐高温硬质材料或在硬质材料表面旋涂耐高温层。

进一步，所述步骤二中金属催化剂层的材质为铁、镍、钴、钌、铜等金属中的一种或一种以上的合金。

进一步，所述步骤二中所述金属催化剂层和所述缓冲层的层数均为5-20层。

进一步，所述步骤四中的所述碳源气体为甲烷或乙烯或乙炔。

进一步，所述步骤四中，若所述硬质基底和/或所述缓冲层含碳，可以作为固态碳源时，只需通入氢气。

本发明的有益效果是：本发明采用插层式结构将金属催化剂层放入石英管中制备石墨烯，突破了石英管尺寸的限制，增加了单次制备石墨烯薄膜的数量，提高了石英管内部空间的利用率，装卸样简单易操作，适合大规模生产，缓冲层可重复利用。缓冲层将金属催化剂层之间隔开，避免了直接叠放金属催化剂层产生的粘连，硬质基底和缓冲层均可重复利用，同时降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明硬质基底以及硬质基底上金属催化剂层和缓冲层交替排放的结构示意图；

图3为本发明制备石墨烯装置图。

1、硬质基底，2、金属催化剂层，3、缓冲层，4、石英管，5、加热炉。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

具体实施例一

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤一S01，采用不含碳的硬质耐高温材料作为基底1，采用不含碳的轻质耐高温材料作为缓冲层3，对基底1和缓冲层3进行清洗预处理:将衬底在丙酮、乙醇、去离子水其中一种或几种中，分别超声清洗，清洗时间为15-30min，然后用纯度为99.999％的氮气吹干；

步骤二S02，将基底1放入石英管底部，然后依次上下交替的放入多层金属催化剂层2和缓冲层3,金属催化剂层2材质为铁、镍、钴、钌、铜等金属中的一种或一种以上的合金，如图2所示，所述金属催化剂层2和所述缓冲层3的层数均为5-20层；

步骤三S03，通入氢气，通过加热炉5进行升温至生长温度，生长温度为800-1200℃；

步骤四S04，向石英管4腔体内通入碳源气体和氢气；

步骤五S05，生长完成后，待石英管4腔体降至室温，取出样品。

具体实施例二

步骤一S01，采用含碳的硬质耐高温材料作为基底1，采用不含碳的轻质耐高温材料作为缓冲层3，对基底1和缓冲层3进行清洗预处理:将衬底在丙酮、乙醇、去离子水其中一种或几种中，分别超声清洗，清洗时间为15-30min，然后用纯度为99.999％的氮气吹干；

步骤二S02，将基底1放入石英管底部，然后依次上下交替的放入多层金属催化剂层2和缓冲层3,金属催化剂层2材质为铁、镍、钴、钌、铜等金属中的一种或一种以上的合金，如图2所示，所述金属催化剂层2和所述缓冲层3的层数均为5-20层；

步骤三S03，通入氢气，通过加热炉5进行升温至生长温度，生长温度为800-1200℃；

步骤四S04，含碳的硬质耐高温材料可同时作为固态碳源，只需向石英管4腔体内通入氢气；

步骤五S05，生长完成后，待石英管4腔体降至室温，取出样品。

具体实施例三

步骤一S01，采用旋涂含碳耐高温层的硬质材料作为基底1，采用旋涂不含碳耐高温层的轻质材料作为缓冲层3，对基底1和缓冲层3进行清洗预处理:将衬底在丙酮、乙醇、去离子水其中一种或几种中，分别超声清洗，清洗时间为15-30min，然后用纯度为99.999％的氮气吹干；

步骤二S02，将基底1放入石英管底部，然后依次上下交替的放入多层金属催化剂层2和缓冲层3,金属催化剂层2材质为铁、镍、钴、钌、铜等金属中的一种或一种以上的合金，如图2所示，所述金属催化剂层2和所述缓冲层3的层数均为5-20层；

步骤三S03，通入氢气，通过加热炉5进行升温至生长温度，生长温度为800-1200℃；

步骤四S04，基底1可以作为固态碳源，只需向石英管4腔体内通入氢气；

步骤五S05，生长完成后，待石英管4腔体降至室温，取出样品。

具体实施例四

步骤一S01，采用旋涂不含碳耐高温层的硬质材料作为基底1，采用旋涂耐高温不含碳层的轻质材料(可不耐高温)为缓冲层3，对基底1和缓冲层3进行清洗预处理:将衬底在丙酮、乙醇、去离子水其中一种或几种中，分别超声清洗，清洗时间为15-30min，然后用纯度为99.999％的氮气吹干；

步骤二S02，将基底1放入石英管底部，然后依次上下交替的放入多层金属催化剂层2和缓冲层3,金属催化剂层2材质为铁、镍、钴、钌、铜等金属中的一种或一种以上的合金，如图2所示，所述金属催化剂层2和所述缓冲层3的层数均为5-20层；

步骤三S03，通入氢气，通过加热炉5进行升温至生长温度，生长温度为800-1200℃；

步骤四S04，向石英管4腔体内通入碳源气体和氢气；

步骤五S05，生长完成后，待石英管4腔体降至室温，取出样品。

本发明在石英舟底部放置一片可以支撑金属催化剂层2的硬质耐高温基底1，然后依次放置金属催化剂层2和缓冲层3，然后进行石墨烯的制备，采用插层式结构将金属催化剂层2放入石英管4中制备石墨烯，突破了石英管4尺寸的限制，增加了单次制备石墨烯薄膜的数量，提高了石英管4内部空间的利用率，装样简单，易操作，适合大规模生产，缓冲层3可重复利用，缓冲层3采用耐高温且质轻的材料，将金属催化剂层2之间隔开，避免了直接叠放金属催化剂层2产生的粘连。

采用插层式的排列方法在CVD石英管中放置金属催化剂层2，层与层之间用一层缓冲层隔开，最底层用硬质耐高温基底1作为支撑，然后进行石墨烯薄膜的生长。本发明装样过程简单易操作，降低了成本，适合规模化生产石墨烯薄膜。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种插层式制备石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对硬质基底(1)和缓冲层(3)进行清洗和预处理；

步骤二，将硬质基底(1)放入石英管(4)底部，然后依次上下交替的放入多层金属催化剂层(2)和缓冲层(3)；

步骤三，通入氢气，进行升温至生长温度；

步骤四，向石英管(4)腔体内通入碳源气体和氢气；

步骤五，生长完成后，待腔体降至室温，取出样品。

2.根据权利要求1所述的一种插层式制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤一中清洗为在丙酮、乙醇、去离子水中一种或几种中分别进行超声清洗。

3.根据权利要求1或2所述的一种插层式制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤一中预处理为采用纯度为99.99％的氮气进行吹干。

4.根据权利要求1或2所述的一种插层式制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤一中硬质基底(1)为耐高温硬质材料或在硬质材料表面旋涂耐高温层。

5.根据权利要求1或2所述的一种插层式制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤二中金属催化剂层(2)的材质为铁、镍、钴、钌、铜中的一种或一种以上的合金。

6.根据权利要求1或2所述的一种插层式制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤二中所述金属催化剂层(2)和所述缓冲层(3)的层数均为5-20层。

7.根据权利要求1或2所述的一种插层式制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤四中的所述碳源气体为甲烷或乙烯或乙炔。

8.根据权利要求1或2所述的一种插层式制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤四中，若所述硬质基底和/或所述缓冲层含碳，可以作为固态碳源时，只需通入氢气。