CN105036106B - 一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法 - Google Patents
一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105036106B CN105036106B CN201510406256.7A CN201510406256A CN105036106B CN 105036106 B CN105036106 B CN 105036106B CN 201510406256 A CN201510406256 A CN 201510406256A CN 105036106 B CN105036106 B CN 105036106B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diamond
- graphene
- diamond film
- film
- substrate
- 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.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 219
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 218
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 123
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 118
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 55
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 54
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 33
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 28
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 26
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 26
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 12
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 11
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000005554 pickling Methods 0.000 claims description 9
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 6
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 6
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 claims description 4
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 3
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 3
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 3
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 claims description 2
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 claims 4
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 3
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims 1
- 125000000118 dimethyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 claims 1
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims 1
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims 1
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical compound [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229920005573 silicon-containing polymer Polymers 0.000 claims 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 abstract description 7
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 abstract 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 35
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 15
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical group Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，属于半导体材料制备领域。通过金刚石表面处理后自助转移石墨烯制备石墨烯/金刚石定向超高导热复合材料，工艺步骤为：a.制备态金刚石膜经精密机械抛光获得低于1nm粗糙度的表面，也可在激光、等离子体等手段辅助下实现；b.表面精密抛光后的金刚石膜经硫酸和硝酸混合溶液煮沸后，形成表面洁净均一的氧终结；c.通过高真空环境或氢气气氛下退火使得氧终结脱附形成碳的悬挂键或氢终结；d.依托于一定衬底的石墨烯经腐蚀衬底后向转移介质转移；e.进一步利用水的表面张力，依托于转移介质的石墨烯平铺于活性金刚石表面形成原子键合，经有机溶剂溶解转移介质最终获得石墨烯/金刚石定向超高导热复合材料。
Description
技术领域：
本发明属于新型导热材料制备技术领域；特别是提供了一种制备石墨烯/金刚石膜高定向导热复合材料的方法，特点是在高导热金刚石基底上形成原子键合的单层或多层石墨烯，实现平面方向复合定向散热。
背景技术：
石墨烯是近年来碳族材料最受欢迎的成员之一。由于其具有优异的力学性质如是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料；其几乎完全透明，只吸收2.3％的光；以及常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，而电阻率只约1Ω·m，为世上电阻率最小的材料，因而被期待用于更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管及新一代透明导体触控屏幕及太阳能电池等。
高导热性质是石墨烯的另一重要性质，单层石墨烯的导热系数可高达5300W/m·K(Nano.Lett.8(2008)902)，是目前已发现材料中热导率最高的材料。因此基于石墨烯粉末填充的高分子材料、金属材料等复合材料近年来被广泛研究。但是由于石墨烯粉体本身单层率不高，且在复合过程中取向及均匀性难以控制，因此提高基体热导率程度有限(Adv.Mater.25(2013)732)。而对于大面积层状石墨烯，由于单层石墨烯的厚度极薄，通常需依托于衬底之上，而其导热系数测试过程中极易受到衬底影响，因此很难用传统的方法准确测得其导热系数。目前其高达5300W/m·K的导热系数是通过将单层石墨烯悬空支撑于微槽上，利用激光拉曼过程中拉曼位移与激光功率加热的对应关系推算得出。换言之，当单层石墨烯与其他衬底复合时，其平面热导率将受到低热导率衬底本身及界面粗糙度的影响，很难发挥石墨烯的高导热系数的优势(Appl.Phy.Lett.94(2009)1)。另外由于金刚石本身不具有催化生长石墨烯的作用，因此在大面积金刚石上直接生长单层石墨烯形成复合材料存在石墨烯质量、均匀性均难于控制的问题，无法实现大面积石墨烯/金刚石复合材料的制备要求。
发明内容：
本发明的目的是为了解决在大面积金刚石上直接生长单层石墨烯形成复合材料存在石墨烯质量、均匀性均难于控制，无法实现大面积石墨烯/金刚石复合材料的制备要求问题，
一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，其特征在于初期通过将金刚石(天然或人工合成)表面精密抛光、超声清洗，达到原子级平整。随后对抛光态金刚石膜进行氧化性酸洗处理，使得金刚石表面形成高密度氧原子终结。在超高真空或氢气气氛环境下对氧终结金刚石进行加热处理，使表面碳氧键脱离，留下金刚石碳碳悬挂键或氢终结。将依托于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)衬底石墨烯置于去离子水中，待其完全铺展，将表面悬挂键或氢终结金刚石置于去离子水中，使石墨烯在金刚石表面完全铺展并形成原子键合。将石墨烯/金刚石复合材料转移至丙酮溶液中浸泡以去除PMMA。最后将石墨烯/金刚石复合材料移至干燥炉中烘干，即得到超高定向导热石墨烯/金刚石碳基复合材料。
本发明具体包括以下步骤：
步骤1：研磨、抛光、超声清洗；
1.1将所选用的厚度200-3000μm，直径10-100mm金刚石膜衬底进行精密抛光，金刚石膜的热导率不低于1200W/mK。具体流程为：使用金刚石研磨机，金刚石粉粒径依次由120um至10um，研磨盘旋转速度20-100rmp，重力100-1000g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度低于1um。
1.2利用金刚石精密抛光机，将表面粗研磨后的金刚石膜进一步进行精密抛光。分别使用粒径为10um和0.5um聚晶金刚石盘对粗抛光金刚石膜进行精密抛光，抛光盘旋转速度800-1500rmp，直至金刚石表面粗糙度低于1nm。
1.3对精密抛光后金刚石膜表面进行超声清洗，以去除由于机械抛光残留的金刚石粉。依次使用丙酮、酒精、去离子水对抛光金刚石膜进行超声清洗，超声波功率为50-300瓦，每次清洗30min，吹干。
步骤2：金刚石膜表面洁净化；
2.1酸洗处理：对步骤1.3中清洗后的金刚石膜首先进行酸洗处理。将金刚石膜置于硫酸：硝酸浓度为5:1的溶液，加热回流，待溶液沸腾后，煮沸30-60min。一方面去除由于研磨抛光过程中残留的研磨盘和抛光盘的磨屑，另一方面通过对金刚石表面的氧化作用，形成氧原子终结的金刚石表面。随后采用去离子水超声清洗金刚石膜2遍，超声波功率为50-300瓦，每次清洗30min，吹干，去除金刚石表面的残留溶液。
2.2制备C-C悬挂键或氢终结金刚石膜：
1)制备C-C悬挂键：将酸洗后金刚石膜置于超高真空环境(腔室压力低于10-5帕)中加热，加热温度500-600℃，加热时间1-3h。真空加热的目的在于一方面将金刚石表面吸附大气环境中的污染物去除掉，另一方面使得氧终结金刚石表面发生氧的脱附，通过表面形成CO或CO2，最终金刚石表面成为C-C悬挂键，为后续连接石墨烯碳原子做准备。
2)制备氢终结金刚石膜：对于酸洗后金刚石膜表面也可通过在氢气气氛下加热成为氢终结金刚石膜。首先将真空腔室抽真空至10-5帕以下，后关闭分子泵，通入高纯氢气(纯度99.999％以上)，使腔室压力达到3-10kPa，加热温度500-900℃，加热时间1-3h，后在氢气气氛下冷却至室温。
步骤3：石墨烯/金刚石复合材料的制备；
3.1石墨烯的自助转移过程:将使用化学气相沉积法制备的依附于衬底的石墨烯表面涂覆一层厚度200-400nm的PMMA，通过腐蚀基底法将衬底去除，获得的依附于PMMA衬底的石墨烯层置于去离子水中使其完全平铺于水面，将使用2.2步骤中制得的碳悬挂键或氢终结金刚石膜提前置于去离子水中，利用水的表面张力将石墨烯完全铺展并吸附于金刚石膜表面，而将PMMA/石墨烯的石墨烯侧与金刚石相接，实现石墨烯的自助转移。
3.2 PMMA的去除：
1)将转移后的石墨烯/金刚石复合材料置于丙酮溶液中浸泡，时间5-30min。待PMMA完全溶解后，将石墨烯/金刚石复合材料再次浸入丙酮溶液中清洗，时间5-10min。将石墨烯/金刚石复合材料取出静置5-30min让丙酮溶液自主挥发。
2)加热干燥：将静置后的石墨烯/金刚石膜复合材料置于干燥箱中，温度50-80℃，时间20-60min直至表面残留溶液完全挥发。
至此实现了石墨烯在金刚石表面的原子键合，制备了石墨烯平铺于金刚石表面的高定向导热复合材料。该复合材料既可以作为其他电子器件平面方向定向散热的基体材料，也可以依托转移后的石墨烯制作电子器件，通过金刚石膜自身散热满足器件导热要求。
本发明实施过程的关键在于：
1.为实现平面方向高定向导热，减小界面热阻，金刚石表面需要达到原子级平整状态，表面粗糙度需低于1nm。通过机械抛光方法可采用降低抛光盘中聚晶金刚石的粒度，以及提高抛光盘的旋转速度，可以满足粗糙度要求。同时辅助使用激光、等离子体处理以及热化学抛光等方法能够更加高效抛光，确保金刚石表面实现低的粗糙度。
2.欲将石墨烯与金刚石形成原子键结合，首先需要保证金刚石表面的清洁。经机械磨削后的金刚石表面，将残存大量的铸铁盘磨屑和聚晶金刚石磨屑。同时金刚石表面的终结杂乱无章，悬挂键与各种污染物相接。研抛后的金刚石表面通过氧化性酸酸洗，一方面可以将残余污染物清洗干净；另一方面金刚石表面的键合将被“规整”，形成均一的氧终结。
3.氧化性酸酸洗后金刚石表面形成均一的氧终结，通过高真空或氢气气氛退火使金刚石表面形成碳的悬挂键或氢终结。需要严格控制温度，对于真空退火以金刚石表面氧终结刚形成脱附为宜，避免产生过度氧化。而对于氢气气氛退火，则以500-900℃为宜。
4.将石墨烯转移至金刚石表面之前，依托于生长衬底的石墨烯表面需要涂覆一层PMMA，作为中间转移介质，临时起到支撑作用，该中间转移介质必须能够在石墨烯转移至金刚石上后容易使用化学方法除掉。
5.去除生长衬底时依据不同的衬底类型选择相应的腐蚀溶液，前提是腐蚀过程不能对石墨烯和PMMA产生破坏。同时衬底腐蚀过程需与石墨烯向目标衬底转移过程能够原位进行，以免对石墨烯表面造成污染。
6.柔性PMMA层在水中具有一定的塑形，会受到水的表面张力发生变形，当石墨烯与金刚石表面相接触时，依托水的张力将石墨烯在金刚石表面铺展。通过的水的张力调整石墨烯与金刚石间的相互位置直到完全铺展。
7.对于本发明中化学气相沉积制备的石墨烯，是依托Cu、Ni、Si任何一种衬底或其中几种复合后的衬底生长的石墨烯。相应地，Cu衬底的腐蚀液是FeCl3溶液；Ni衬底的腐蚀液是酸溶液；Si衬底的腐蚀液是碱溶液。
8.对于本发明中所选的转移介质，还可使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过腐蚀衬底方式转移；也可使用热释放胶带粘接方式直接将石墨烯转移至转移介质上进而进行后续操作。
9.进一步，金刚石表面氢终结的获得除在氢气气氛中加热外，还可以通过微波氢等离子体处理金刚石表面获得。
本发明的优点是：
1.通过将超高热导率单层石墨烯与高热导率金刚石体材料相结合的复合材料，平面方向可以基于石墨烯热传导，由于金刚石衬底本身具有较高热导率，因此平面方面将具有极高热导率，可以高于金刚石的理论值，实现定向超高导热。同时垂直方向由于是以金刚石体材料导热为主，也会达到较高导热水平。
2.单层石墨烯在Cu、Ni、Si衬底上的生长技术相对成熟，将其从其他生长衬底上转移至金刚石衬底，相比于在金刚石上直接生长，简便易行，且能够实现大尺寸金刚石/石墨烯超高定向导热复合材料的制备。
3.金刚石表面的清洁化(真空退火获得C-C悬挂键)或功能化(氢气气氛退火或氢等离子体处理)有助于实现石墨烯与金刚石表面形成原子键合，减小界面热阻，最大限度地提高石墨烯平面方向热导率。
附图说明：
1.图1为本发明方法中石墨烯/金刚石超高定向导热复合材料的制备流程图。
2.图2为本发明方法制得石墨烯/金刚石复合材料表面显微形貌图(a)与拉曼光谱图(b)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
经精密抛光后的金刚石经氧化性酸酸洗获得氧终结，后采用真空退火或氢等离子体处理的方式转变为氢终结。同样依托于一定衬底的石墨烯经转移介质、腐蚀衬底的方式剥离并进一步转移至氢终结金刚石表面，形成原子键合石墨烯/金刚石复合材料，其具体流程见图1。
实施例1
将所选用的厚度500μm，尺寸15mm×15mm金刚石膜衬底进行精密抛光，具体流程为：使用金刚石研磨机，研磨盘旋转速度60rmp，重力200g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度0.99μm。利用金刚石精密抛光机，抛光盘旋转速度1000rmp，直至金刚石表面粗糙度达到0.7nm。抛光后的金刚石膜经测试其热导率为1750W/mK。依次使用丙酮、酒精、去离子水对精密抛光后金刚石表面进行超声清洗，超声波功率为150瓦，每次清洗30min，后吹干。将金刚石膜置于硫酸：硝酸浓度为5:1的溶液，加热回流，待溶液沸腾后，煮沸60min。后使用去离子水超声清洗金刚石膜2遍，超声波功率为150瓦，每次清洗30min，后吹干。将酸洗后金刚石膜置于真空室，抽本底真空达到9×10-6帕后，关闭分子泵，通入高纯氢气(纯度99.999％以上)，使腔室压力达到3kPa，加热温度800℃，加热时间1h，后在氢气气氛下冷却至室温。后迅速将其转移至去离子水中保存。使用铜衬底制备得到的单层率95％以上石墨烯，在其表面均匀涂覆200nmPMMA，将铜衬底整体置于FeCl3溶液中进行腐蚀，去除铜基底，剥离后的PMMA迅速置于放有金刚石的去离子水中，待其完全平铺于水面，将金刚石膜提起，利用水的表面张力将石墨烯完全铺展并吸附于金刚石膜表面，将转移后的石墨烯/金刚石复合材料置于丙酮溶液中浸泡5min。将石墨烯/金刚石复合材料再次浸入丙酮溶液中清洗5min。将石墨烯/金刚石复合材料取出空气中静置10min。进一步将石墨烯/金刚石膜复合材料置于干燥箱中，温度60℃，保温30min。在金刚石上转移单层石墨烯后，其表面形貌与表面拉曼图谱示于图2。由原子力显微镜图片可见，金刚石表面形成了薄层石墨烯，在金刚石晶界位置存在石墨烯褶皱。从拉曼图谱看见，除去金刚石1332cm-1处强的本征峰，在1580cm-1和2795cm-1分别出现了石墨烯的一阶和二阶特征峰，进一步证实石墨烯的成功转移。
实施例2
将所选用的厚度1200μm，尺寸15mm×15mm金刚石膜衬底进行精密抛光，具体流程为：使用金刚石研磨机，研磨盘旋转速度45rmp，重力400g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度0.97μm。利用金刚石精密抛光机，抛光盘旋转速度1200rmp，直至金刚石表面粗糙度达到0.5nm。抛光后的金刚石膜经测试其热导率为1600W/mK。依次使用丙酮、酒精、去离子水对精密抛光后金刚石表面进行超声清洗，超声波功率为200瓦，每次清洗30min，后吹干。将金刚石膜置于硫酸：硝酸浓度为5:1的溶液，加热回流，待溶液沸腾后，煮沸30min。后使用去离子水超声清洗金刚石膜2遍，超声波功率为200瓦，每次清洗30min，后吹干。将酸洗后金刚石膜置于真空室，抽本底真空达到9×10-6帕后加热，加热温度550℃，加热时间2h。冷却至室温后迅速将其转移至去离子水中保存。使用铜衬底制备得到的单层率95％以上石墨烯，在其表面均匀涂覆250nmPMMA，将铜衬底整体置于FeCl3溶液中进行腐蚀，去除铜基底，剥离后的PMMA迅速置于放有金刚石的去离子水中，待其完全平铺于水面，将金刚石膜提起，利用水的表面张力将石墨烯完全铺展并吸附于金刚石膜表面，将转移后的石墨烯/金刚石复合材料置于丙酮溶液中浸泡15min。将石墨烯/金刚石复合材料再次浸入丙酮溶液中清洗5min。将石墨烯/金刚石复合材料取出空气中静置20min。进一步将石墨烯/金刚石膜复合材料置于干燥箱中，温度80℃，保温20min，即可获得石墨烯/金刚石超高定向导热复合材料。
实施例3
将所选用的厚度2800μm，直径100mm金刚石膜行精密抛光，具体流程为：使用金刚石研磨机，研磨盘旋转速度80rmp，重力800g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度1μm。利用金刚石精密抛光机，抛光盘旋转速度1500rmp，直至金刚石表面粗糙度达到0.8nm。抛光后的金刚石膜热导率为1350W/mK。依次使用丙酮、酒精、去离子水对精密抛光后金刚石表面进行超声清洗，超声波功率为300瓦，每次清洗30min，后吹干。将金刚石膜置于硫酸：硝酸浓度为5:1的溶液，加热回流，待溶液沸腾后，煮沸30min。后使用去离子水超声清洗金刚石膜2遍，超声波功率为300瓦，每次清洗30min，后吹干。将酸洗后金刚石膜置于真空室，抽本底真空达到9×10-6帕后加热，加热温度600℃，加热时间1h。冷却至室温后迅速将其转移至去离子水中保存。使用镍衬底制备得到的单层率95％以上石墨烯，在其表面均匀涂覆400nmPMMA，将镍衬底整体置于3％稀盐酸溶液中进行腐蚀，去除镍基底，剥离后的PMMA迅速置于放有金刚石的去离子水中，待其完全平铺于水面，将金刚石膜提起，利用水的表面张力将石墨烯完全铺展并吸附于金刚石膜表面，将转移后的石墨烯/金刚石复合材料置于丙酮溶液中浸泡30min。将石墨烯/金刚石复合材料再次浸入丙酮溶液中清洗10min，随后取出石墨烯/金刚石复合材料空气中静置30min。进一步将石墨烯/金刚石膜复合材料置于干燥箱中，温度80℃，保温60min，即可获得石墨烯/金刚石超高定向导热复合材料。
实施例4
将所选用的厚度500μm，直径20mm的金刚石膜进行精密抛光，具体流程为：使用金刚石研磨机，研磨盘旋转速度20rmp，重力100g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度0.8μm。利用金刚石精密抛光机，抛光盘旋转速度800rmp，直至金刚石表面粗糙度达到0.2nm。抛光后的金刚石膜热导率为1800W/mK。依次使用丙酮、酒精、去离子水对精密抛光后金刚石表面进行超声清洗，超声波功率为100瓦，每次清洗30min，后吹干。将金刚石膜置于硫酸：硝酸浓度为5:1的溶液，加热回流，待溶液沸腾后，煮沸30min。后使用去离子水超声清洗金刚石膜2遍，超声波功率为100瓦，每次清洗30min，后吹干。将酸洗后金刚石膜置于微波等离子体真空室，抽本底真空达到9×10-6帕后，关闭分子泵，通入氢气至5kPa，利用微波产生等离子体维持温度700℃，氢等离子体处理15min。冷却至室温后迅速将其转移至去离子水中保存。使用硅衬底制备得到的单层率95％以上石墨烯，在其表面均匀涂覆400nmPMMA，将硅衬底整体置于10％NaOH溶液中加热至90℃进行腐蚀，去除硅基底，剥离后的PMMA迅速置于放有金刚石的去离子水中，待其完全平铺于水面，将金刚石膜提起，利用水的表面张力将石墨烯完全铺展并吸附于金刚石膜表面，将转移后的石墨烯/金刚石复合材料置于丙酮溶液中浸泡20min。将石墨烯/金刚石复合材料再次浸入丙酮溶液中清洗5min，随后取出石墨烯/金刚石复合材料空气中静置20min。进一步将石墨烯/金刚石膜复合材料置于干燥箱中，温度50℃，保温40min，即可获得石墨烯/金刚石超高定向导热复合材料。
Claims (7)
1.一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，其特征在于初期通过将天然或人工合成金刚石膜表面进行精密抛光、超声清洗，达到原子级平整；随后对抛光态金刚石膜进行氧化性酸洗处理，使得金刚石表面形成高密度氧原子终结；在超高真空或氢气气氛环境下对氧终结金刚石进行加热处理，使表面碳氧键脱离，留下金刚石碳碳悬挂键或氢终结；将依托于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）衬底石墨烯置于去离子水中，待其完全铺展，将表面悬挂键或氢终结金刚石置于去离子水中，使石墨烯在金刚石表面完全铺展并形成原子键合，制备了石墨烯平铺于金刚石表面的高定向导热复合材料。
2.根据权利要求1所述一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，其特征在于具体包括研磨、抛光、超声清洗，随后对抛光态金刚石膜进行金刚石膜表面洁净化处理；石墨烯/金刚石复合材料的制备三个步骤，该复合材料既能作为其他电子器件平面方向定向散热的基体材料，也能依托转移后的石墨烯制作电子器件，通过金刚石膜自身散热满足器件导热要求。
3.根据权利要求2所述一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，其特征在于研磨、抛光、超声清洗的具体步骤如下：
（1）、将所选用的厚度200-3000μm，直径10-100mm金刚石膜衬底进行精密抛光，金刚石膜的热导率不低于1200W/mK；具体流程为：使用金刚石研磨机，金刚石粉粒径依次由120μm至10μm，研磨盘旋转速度20-100rpm，重力100-1000g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度低于1μm；
（2）、利用金刚石精密抛光机，将表面粗研磨后的金刚石膜进一步进行精密抛光；分别使用粒径为10μm和0.5μm聚晶金刚石盘对粗抛光金刚石膜进行精密抛光，抛光盘旋转速度800-1500rpm，直至金刚石表面粗糙度低于1nm；
（3）、对精密抛光后金刚石膜表面进行超声清洗，以去除由于机械抛光残留的金刚石粉，依次使用丙酮、酒精、去离子水对抛光金刚石膜进行超声清洗，超声波功率为50-300瓦，每次清洗30min，吹干。
4.根据权利要求2所述一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，其特征在于金刚石膜表面洁净化处理步骤如下
（1）酸洗处理：对超声清洗后的金刚石膜首先进行酸洗处理，将金刚石膜置于硫酸：硝酸浓度为5:1的溶液，加热回流，待溶液沸腾后，煮沸30-60min；一方面去除由于研磨抛光过程中残留的研磨盘和抛光盘的磨屑，另一方面通过对金刚石表面的氧化作用，形成氧原子终结的金刚石表面；随后采用去离子水超声清洗金刚石膜2遍，超声波功率为50-300瓦，每次清洗30min，吹干，去除金刚石表面的残留溶液；
（2）、制备C-C悬挂键或氢终结金刚石膜：
1）制备C-C悬挂键：将酸洗后金刚石膜置于超高真空环境，腔室压力低于10-5帕中加热，加热温度500-600℃，加热时间1-3h；真空加热的目的在于一方面将金刚石表面吸附大气环境中的污染物去除掉，另一方面使得氧终结金刚石表面发生氧的脱附，通过表面形成CO或CO2，最终金刚石表面成为C-C悬挂键，为后续连接石墨烯碳原子做准备；
2）制备氢终结金刚石膜：对于酸洗后金刚石膜表面或通过在氢气气氛下加热成为氢终结金刚石膜；首先将真空腔室抽真空至10-5帕以下，后关闭分子泵，通入纯度99.999%以上高纯氢气，使腔室压力达到3-10kPa，加热温度500-900℃，加热时间1-3h，后在氢气气氛下冷却至室温。
5.根据权利要求4所述一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，其特征在于石墨烯/金刚石复合材料的制备步骤为：
（1）石墨烯的自助转移过程：将使用化学气相沉积法制备的依附于衬底的石墨烯表面涂覆一层厚度200-400nm的PMMA，通过腐蚀基底法将衬底去除，获得的依附于PMMA衬底的石墨烯层，置于去离子水中使其完全平铺于水面；
（2）将所述制得的C-C悬挂键或氢终结金刚石膜提前置于去离子水中，利用水的表面张力将石墨烯完全铺展并吸附于金刚石膜表面，而将PMMA/石墨烯的石墨烯侧与金刚石相接，实现石墨烯的自助转移，得到石墨烯/金刚石复合材料；
（3）PMMA的去除：
1）将步骤（2）转移后的石墨烯/金刚石复合材料置于丙酮溶液中浸泡，时间5-30min；待PMMA完全溶解后，将石墨烯/金刚石复合材料再次浸入丙酮溶液中清洗，时间5-10min，将石墨烯/金刚石复合材料取出静置5-30min让丙酮溶液自主挥发；
2）加热干燥：将静置后的石墨烯/金刚石膜复合材料置于干燥箱中，温度50-80℃，时间20-60min直至表面残留溶液完全挥发。
6.根据权利要求5所述一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，其特征在于化学气相沉积制备的石墨烯，是依托Cu、Ni、Si任何一种衬底或其中几种复合后的衬底生长的石墨烯；相应地，Cu衬底的腐蚀液是FeCl3溶液；Ni衬底的腐蚀液是酸溶液；Si衬底的腐蚀液是碱溶液。
7.根据权利要求5所述一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法，其特征在于所需的石墨烯转移介质，还使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）通过腐蚀衬底方式转移；或使用热释放胶带粘接方式直接将石墨烯转移至转移介质上进而进行后续操作。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510406256.7A CN105036106B (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510406256.7A CN105036106B (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105036106A CN105036106A (zh) | 2015-11-11 |
| CN105036106B true CN105036106B (zh) | 2017-09-29 |
Family
ID=54443159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510406256.7A Active CN105036106B (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105036106B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021151159A1 (en) * | 2020-01-31 | 2021-08-05 | The University Of Melbourne | A method of bonding carbon containing material portions using a silicon-containing material |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105671354B (zh) * | 2016-03-21 | 2017-11-07 | 中南大学 | 一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN105695831B (zh) * | 2016-03-21 | 2017-10-31 | 中南大学 | 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法 |
| CN105733191B (zh) * | 2016-03-21 | 2018-10-09 | 中南大学 | 不同维度高导热材料增强聚合物基复合材料及制备方法 |
| CN108238597A (zh) * | 2016-12-23 | 2018-07-03 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种金刚石-石墨烯异质结构复合材料的制备方法 |
| CN107039245B (zh) * | 2017-04-20 | 2020-01-21 | 中国科学院微电子研究所 | 提高氧化镓材料导热性的方法 |
| CN110831768A (zh) * | 2017-07-10 | 2020-02-21 | 香港科技大学 | 石墨烯转移方法 |
| US10752986B2 (en) | 2017-10-30 | 2020-08-25 | Savannah River Nuclear Solutions, Llc | Method of manufacturing a three-dimensional carbon structure |
| CN109825815B (zh) * | 2019-02-21 | 2021-01-15 | 江西科技师范大学 | 一种降低金刚石/铜导热复合材料界面热阻的制备方法 |
| CN110489712B (zh) * | 2019-08-08 | 2022-02-22 | 中国核动力研究设计院 | 基于测量数据获取熔融池表面冷却热流密度的方法 |
| CN111136586A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-05-12 | 重庆秦嵩科技有限公司 | 一种雷达信号采集产生处理模块结构表面处理方法 |
| CN112839449A (zh) * | 2021-01-06 | 2021-05-25 | 南昌大学 | 一种基于激光直接加工的金刚石电路板制备方法 |
| CN115466954A (zh) * | 2022-10-08 | 2022-12-13 | 北京科技大学 | 金刚石/石墨烯/碳纳米管全碳基复合材料的制备方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102102220B (zh) * | 2009-12-22 | 2014-02-19 | 中国科学院物理研究所 | 金刚石(111)面上的石墨烯制备方法 |
| KR101284535B1 (ko) * | 2011-08-31 | 2013-07-09 | 한국기계연구원 | 그래핀의 전사방법 및 이에 의해 제조되는 그래핀이 전사된 유연기판 |
| CN102367570B (zh) * | 2011-11-01 | 2014-11-19 | 南昌航空大学 | 一种制备金刚石-石墨烯复合膜的方法 |
| CN102699804B (zh) * | 2012-06-14 | 2015-06-10 | 北京科技大学 | 一种金刚石自支撑膜表面平整化方法 |
-
2015
- 2015-07-10 CN CN201510406256.7A patent/CN105036106B/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021151159A1 (en) * | 2020-01-31 | 2021-08-05 | The University Of Melbourne | A method of bonding carbon containing material portions using a silicon-containing material |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105036106A (zh) | 2015-11-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105036106B (zh) | 一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法 | |
| TWI613145B (zh) | 奈米碳膜之製作方法及奈米碳膜 | |
| CN102400109A (zh) | 一种用聚苯乙烯固态碳源低温化学气相沉积生长大面积层数可控石墨烯的方法 | |
| CN103265018B (zh) | 一种绝缘基底上直接制备石墨烯的方法 | |
| CN109722641B (zh) | 金刚石/石墨烯复合导热膜及其制备方法和散热系统 | |
| CN105951179B (zh) | 一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法 | |
| CN102583359A (zh) | 一种液态催化剂辅助化学气相沉积制备石墨烯的方法 | |
| CN103779292B (zh) | 一种基于石墨烯的芯片散热材料的制备方法 | |
| WO2016088466A1 (ja) | 複合基板の製造方法及び複合基板 | |
| CN107344868B (zh) | 一种在SiC衬底上制备无缓冲层的单层石墨烯的方法 | |
| JP6369566B2 (ja) | ナノカーボン膜作製用複合基板及びナノカーボン膜の作製方法 | |
| CN104157744A (zh) | 一种基于外延层转移实现金刚石基GaN的方法 | |
| CN107311158A (zh) | 一种在镍基上制备石墨烯薄膜并转移到其它基底的方法 | |
| CN105800602A (zh) | 铜颗粒远程催化直接在绝缘衬底上生长石墨烯的方法 | |
| CN108101028A (zh) | 一种在6H/4H-SiC硅面上利用复合金属辅助生长石墨烯的方法 | |
| CN105274491A (zh) | 一种石墨烯-氮化硼异质相复合薄膜材料的制备方法 | |
| CN103407988A (zh) | 一种低温制备石墨烯薄膜的方法 | |
| CN104404620A (zh) | 一种在大直径6H/4H-SiC硅面和碳面双面同时生长石墨烯的方法 | |
| CN104176734A (zh) | 掺氮石墨烯的制备方法 | |
| CN106517165B (zh) | 一种在6H/4H-SiC硅面上用金属辅助内外碳源结合方式生长石墨烯的方法 | |
| CN107188161A (zh) | 石墨烯及其制备方法 | |
| CN207775345U (zh) | 金刚石/石墨烯复合导热膜和散热系统 | |
| CN106637393A (zh) | 一种利用金属辅助在6H/4H‑SiC碳面上外延生长石墨烯的方法 | |
| CN103570001B (zh) | 一种绝缘体上二维薄膜材料的制备方法 | |
| CN108122870B (zh) | 散热结构及其制备方法和散热装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |