CN105110324B - 一种制备无褶皱的石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备无褶皱的石墨烯的方法，包括以下步骤：S1：提供一催化基底，在所述催化基底表面预设区域进行离子注入以破坏注入区域的催化性能，并使得所述催化基底表面形成若干分立的未注入单元；S2：将所述催化基底放入生长腔室，将所述催化基底加热至预设温度，并往所述生长腔室内通入碳源，在所述催化基底表面生长出若干分立的没有褶皱的石墨烯单元。本发明不仅可以得到高质量的没有褶皱或褶皱密度很低的石墨烯单元还可以通过控制离子注入的区域，得到具有特定形状的石墨烯单元，从而适应多样的器件应用需求。
Description
技术领域
本发明属于低维材料和新材料领域，涉及一种制备无褶皱的石墨烯的方法。
背景技术
自从2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家使用微机械剥离的方法发现石墨烯以来，石墨烯的出现激起了巨大的波澜。石墨烯，即石墨的单原子层，是碳原子按蜂窝状排列的二维结构。石墨烯在物理、化学、力学等性能方面无与伦比的优势，使其在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域拥有着广阔的应用前景。
目前发展的常规的石墨烯制备方法有：微机械剥离、热解碳化硅(SiC)、在过渡金属及重金属上的化学气相沉积(CVD)以及化学插层氧化法。微机械剥离法可以制备高质量的石墨烯，但是目前此方法制备的石墨烯面积小于1mm×1mm，只能用于基础实验研究；SiC升华法制备的石墨烯受衬底的影响很大，层数不均一，无法进行衬底转移；CVD方法是宏量制备较高质量石墨烯的最可靠的方法，并且易于衬底转移。
石墨烯是“最软”的一种“金属薄膜”，表面很容易起皱，如同铺在桌面上的绸缎。石墨烯表面的褶皱是影响石墨烯质量的因素之一，这些“褶皱”会改变石墨烯的本征力学、电学等性能。因此，减小石墨烯表面褶皱的密度甚至完全避免褶皱的出现，对于提高石墨烯的质量具有重要的意义。
因此，如何提供一种制备无褶皱的石墨烯的方法，以提高石墨烯的质量，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制备无褶皱的石墨烯的方法，用于解决现有技术中制备的石墨烯表面具有褶皱，使得石墨烯质量降低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种制备无褶皱的石墨烯的方法，包括以下步骤：
提供一催化基底，在所述催化基底表面预设区域进行离子注入以破坏注入区域的催化性能，并使得所述催化基底表面形成若干分立的未注入单元；
将所述催化基底放入生长腔室并加热至预设温度，并往所述生长腔室内通入碳源，在所述催化基底表面生长出若干分立的没有褶皱的石墨烯单元。
可选地，所述催化基底的顶层材料为锗。
可选地，所述催化基底为体锗、绝缘体上锗、体硅上外延锗或III-V族材料上外延锗。
可选地，所述离子注入采用Si离子。
可选地，所述离子注入的注入深度小于1微米。
可选地，所述未注入单元的边缘由曲线或多段直线围成，或者由至少一段曲线与至少一段直线共同围成。
可选地，所述未注入单元的面积小于10000μm2。
可选地，相邻两个未注入单元之间的距离大于10nm。
可选地，所述石墨烯单元为单层石墨烯。
可选地，通过热化学气相沉积法、低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法在所述催化基底表面生长出所述石墨烯单元。
可选地，所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔、苯及PMMA中的至少一种。
可选地，所述石墨烯单元的生长温度范围是800～920℃，生长时间范围是1～1000分钟。
如上所述，本发明的制备无褶皱的石墨烯的方法，具有以下有益效果：本发明通过在所述催化基底表面预设区域进行离子注入，使得所述催化基底表面形成若干分立的未注入单元；其中，由于离子注入区域的部分催化原子被注入离子取代，催化效率降低或者消失，在后续生长石墨烯的过程中，离子注入区域不再能生长出石墨烯，从而在催化基底表面得到若干分立的石墨烯单元。由于这些石墨烯单元的面积相对较小，不易产生褶皱，从而可以得到高质量的没有褶皱或褶皱密度很低的石墨烯单元。本发明还可以通过控制离子注入的区域，得到具有特定形状的石墨烯单元，从而适应多样的器件应用需求。
附图说明
图1显示为本发明的制备无褶皱的石墨烯的方法的工艺流程图。
图2显示为本发明的制备无褶皱的石墨烯的方法提供的催化基底的结构示意图。
图3显示为本发明的制备无褶皱的石墨烯的方法进行离子注入的示意图。
图4显示为本发明的制备无褶皱的石墨烯的方法进行离子注入后得到的结构的俯视图。
图5显示为本发明的制备无褶皱的石墨烯的方法在另一实施例中进行离子注入后得到的结构的俯视图。
图6显示为本发明的制备无褶皱的石墨烯的方法在离子注入后的催化基底表面生长得到若干没有褶皱的石墨烯单元的示意图。
图7显示为图6所示结构的俯视图。
元件标号说明
S1～S2 步骤
1 催化基底
2 注入区域
3 未注入单元
4 石墨烯单元
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种制备无褶皱的石墨烯的方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，包括以下步骤：
S1：提供一催化基底，在所述催化基底表面预设区域进行离子注入以破坏注入区域的催化性能，并使得所述催化基底表面形成若干分立的未注入单元；
S2：将所述催化基底放入生长腔室，将所述催化基底加热至预设温度，并往所述生长腔室内通入碳源，在所述催化基底表面生长出若干分立的没有褶皱的石墨烯单元。
首先请参阅图2至图4，执行步骤S1：提供一催化基底1，在所述催化基底1表面预设区域进行离子注入以破坏注入区域2的催化性能，并使得所述催化基底1表面形成若干分立的未注入单元3。其中，图2显示为所述催化基底1的结构示意图。图3显示为进行离子注入的示意图。图4显示为进行离子注入后得到的结构的俯视图。
具体的，所述催化基底1的催化成分包括但不限于铁、铜、镍、硅、钴、铅、锡、锗、镓或银中的至少一种。本实施例中，所述催化基底1的顶层材料优选采用锗，且所述催化基底的形态可以为体锗、绝缘体上锗、体硅上外延锗或III-V族材料上外延锗等。
所述离子注入优选采用Si离子，当Si离子注入所述催化基底1表面的锗层，所述催化基底1表层离子注入区域的部分锗原子被替代为Si原子，或者生成锗硅，使得对石墨烯生长的催化作用显著降低或消失。
作为示例，所述离子注入的注入深度小于1微米，使得注入的离子尽量分布于所述催化基底1的表层。离子注入深度可以通过控制离子注入能量来实现，能量越高，注入深度越深，能量越低，注入深度越浅。此技术为本领域人员所熟知，此处不再赘述。
需要指出的是，由于注入催化基底的离子会在纵向上分布于一段区域内，前面所述离子注入深度指的是离子分布浓度峰值处。
特别的，如图4所示，所述注入区域2将所述催化基底表面划分为若干分立的未注入单元3。所述未注入单元3的边缘由曲线或多段直线围成，或者由至少一段曲线与至少一段直线共同围成。作为示例，所述未注入单元3为正方形。在其它实施例中，所述未注入单元3也可以为如图5所示的菱形。在实际应用中，所述未注入单元3可以根据需要设置为所需形状，此处不应过分限制本发明的保护范围。
具体的，所述未注入单元3的面积不宜太大，优选为小于10000μm2。相邻两个未注入单元3之间的距离优选为大于10nm，以避免后续生长石墨烯时由于距离太近，相邻的石墨烯单元连成片，从而产生褶皱。
然后请参阅图6及图7，执行步骤S2：将所述催化基底1放入生长腔室并加热至预设温度，并往所述生长腔室内通入碳源，在所述催化基底1表面生长出若干分立的没有褶皱的石墨烯单元4。
具体的，通过化学气相沉积法在所述催化基底1表面生长单层石墨烯。所述化学气相沉积法包括但不限于热化学气相沉积法、低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法等。
作为示例，以管式炉作为所述生长腔室，生长温度为800～920℃，氢气流量为2～100sccm，碳源流量0.01～50sccm，石墨烯生长时间1～1000min。所述碳源包括但不限于甲烷、乙烯、乙炔、苯及PMMA中的至少一种。采用化学气相沉积法生长石墨烯的技术为本领域技术人员所熟知，在其它实施例中，也可以根据实际需要采用其它工艺条件，此处不应过分限制本发明的保护范围。
至此，在所述催化基底1表面生长出了单层石墨烯。如图6及图7所示，由于所述注入区域2失去了催化作用，该区域表面不会生长出石墨烯，各未注入单元3表面生长的石墨烯构成若干石墨烯单元4。由于这些石墨烯单元的面积相对较小，不易产生褶皱，从而可以得到高质量的没有褶皱或褶皱密度很低的石墨烯单元。
综上所述，本发明的制备无褶皱的石墨烯的方法通过在所述催化基底表面预设区域进行离子注入，使得所述催化基底表面形成若干分立的未注入单元；其中，由于离子注入区域的部分催化原子被注入离子取代，催化效率降低或者消失，在后续生长石墨烯的过程中，离子注入区域不再能生长出石墨烯，从而在催化基底表面得到若干分立的石墨烯单元。由于这些石墨烯单元的面积相对较小，不易产生褶皱，从而可以得到高质量的没有褶皱或褶皱密度很低的石墨烯单元。本发明还可以通过控制离子注入的区域，得到具有特定形状的石墨烯单元，从而适应多样的器件应用需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一催化基底，在所述催化基底表面预设区域进行离子注入以破坏注入区域的催化性能，并使得所述催化基底表面形成若干分立的未注入单元；所述离子注入采用Si离子；
将所述催化基底放入生长腔室并加热至预设温度，并往所述生长腔室内通入碳源，在所述催化基底表面生长出若干分立的没有褶皱的石墨烯单元。
2.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：所述催化基底的顶层材料为锗。
3.根据权利要求2所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：所述催化基底为体锗、绝缘体上锗、体硅上外延锗或III-V族材料上外延锗。
4.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：所述离子注入的注入深度小于1微米。
5.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：所述未注入单元的边缘由曲线或多段直线围成，或者由至少一段曲线与至少一段直线共同围成。
6.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：所述未注入单元的面积小于10000μm2。
7.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：相邻两个未注入单元之间的距离大于10nm。
8.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：所述石墨烯单元为单层石墨烯。
9.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：通过热化学气相沉积法、低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法在所述催化基底表面生长出所述石墨烯单元。
10.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔、苯及PMMA中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的制备无褶皱的石墨烯的方法，其特征在于：所述石墨烯单元的生长温度范围是800～920℃，生长时间范围是1～1000分钟。
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