CN105603514A - 大尺寸Cu（111）单晶铜箔和超大尺寸单晶石墨烯的制备方法 - Google Patents

大尺寸Cu（111）单晶铜箔和超大尺寸单晶石墨烯的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大尺寸Cu(111)单晶铜箔和超大尺寸单晶石墨烯的制备方法。所述方法为用掺杂金属元素的多晶铜箔作为原料，利用特殊退火工艺制备出超大尺寸单晶Cu(111)，然后利用常压化学气相沉积法，以Cu(111)单晶为衬底获得超大尺寸高质量单晶石墨烯。本发明提出的方法，解决了单晶Cu(111)价格昂贵的问题，并利用衬底的调控作用制备出超大尺寸单晶石墨烯，解决了石墨烯生长中单晶尺寸小、生长过程复杂等技术问题，通过非常简单的方法，实现了铜箔单晶和高质量大尺寸的单晶石墨烯样品的制备。

Description

大尺寸Cu（111）单晶铜箔和超大尺寸单晶石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种大尺寸Cu(111)单晶铜箔的制备方法，，还涉及一种超大尺寸单晶石墨烯的制备方法。
背景技术
2009年Rouff等人首次发现，利用化学气相沉积法(CVD)，以铜箔作为基底及催化剂，可以有效地获得高质量的单层石墨烯。这种方法过程简单、操作容易、成本低，通过调控实验条件，可以获得较大尺寸的单晶石墨烯，且获得的石墨烯易于转移到其他衬底上。基于这些优点，利用CVD法在铜箔上生长石墨烯备受瞩目。
然而CVD制备的石墨烯的存在一个很大的问题，即合成的石墨烯多为多晶结构。而晶界的存在会很大程度地降低石墨烯的迁移率，阻碍其在电子器件领域的应用。当前降低晶界密度或者生长大尺寸单晶石墨烯成为石墨烯CVD生长研究的一个热点问题。为解决这个问题，必须了解石墨烯的生长过程。石墨烯在铜表面的生长分为三步：(1)含碳气体在表面铜原子的催化作用下脱氢裂解；(2)当表面碳原子达到一定浓度后，触发形核过程；(3)碳原子扩散到形核点附近参与反应，晶核进一步长大。随着晶核的长大，多个晶核彼此融合形成连续的石墨烯膜。若相互融合的晶粒具有不同的取向，晶核融合区域形成晶界。基于对生长过程的理解，为降低晶界密度或者生长大尺寸单晶石墨烯，控制成核密度以及晶核取向最为关键。
当前CVD法生长石墨烯所用的铜箔通常为多晶铜箔，铜箔不同的晶体取向、缺陷、粗糙度以及晶界均会对石墨烯的质量有很大的影响。晶界及缺陷处往往会成为优先形核点，因此铜箔的晶界及缺陷密度会在一定程度上决定石墨烯畴区的大小。研究者通常采用化学抛光或退火来消除铜箔表面的缺陷。这些表面处理方法可以有效地消除铜箔表面的点缺陷密度，然而并不能很明显的降低晶界密度。利用单晶铜箔就可以极大地消除晶界的影响。另一方面，铜箔的取向也对石墨烯的生长有很大的作用。因此，寻找一种有效手段获得大畴区单晶铜箔，如单晶Cu(111)面，并利用CVD方法实现制备大尺寸单晶石墨烯及其它二维材料，对于二维材料的实际应用及产业化具有重要意义。
发明内容
本发明首次提出一种单晶铜箔的制备方法，对金属元素掺杂的多晶铜箔进行退火获得大尺寸Cu(111)单晶铜箔。
本发明还提出一种单晶石墨烯的制备方法，选用金属元素掺杂的多晶铜箔作为衬底，通过退火获得Cu(111)单晶铜箔，并在制备出的Cu(111)单晶铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯。一种制备超大尺寸单晶石墨烯，所述超大尺寸单晶石墨烯是由上述方法所制备，所述超大尺寸单晶石墨烯尺寸与Cu(111)单晶一致，径向尺寸为1～5cm。
本发明利用掺杂了金属元素的多晶铜箔作为原料，利用特殊的退火工艺制备出超大尺寸单晶Cu(111)，然后利用常压化学气相沉积法，以Cu(111)做为衬底，获得超大尺寸高质量单晶石墨烯。本发明提出的方法，解决了单晶Cu(111)价格极为昂贵，石墨烯大单晶生长过程复杂的问题，通过非常简单的方法，实现了高质量大尺寸的单晶Cu(111)和单晶石墨烯样品的制备。
本发明的优点在于：
1.本发明首次提出铜箔中金属杂质可以促进超大尺寸单晶Cu(111)的制备；
2.本发明选用商业上可以购买的掺杂了金属元素的多晶铜箔作为原料，不需要对铜箔进行复杂的表面预处理，就可以制备出超大尺寸单晶Cu(111)，极大地降低制备成本；
3.本发明只需将制备出的Cu(111)单晶作为生长衬底，即可制备出超大尺寸单晶石墨烯，不需要其它任何特殊的处理；
4.本发明提供了一种制备超大尺寸单晶石墨烯的方法，制备出的石墨烯单晶尺寸大，缺陷少，质量高，在微纳米电子器件领域具有良好的应用前景；
5.本发明方法简单、有效，成本低，有助于大尺寸单晶Cu(111)及单晶石墨烯的实际应用及工业化生产。
附图说明
图1a为对金属元素掺杂的多晶铜箔退火制备的大尺寸Cu(111)单晶。图1b为制备的铜单晶正反面的X射线衍射(XRD)结果。图1c为制备的铜单晶的背散射电子衍射(EBSD)结果。图1d为制备的铜单晶的低能电子衍射(LEED)结果。图1b、1c、1d三种结果均表明铜箔为Cu(111)单晶。
图2为用退火得到的Cu(111)单晶作为衬底生长出的石墨烯的表征结果。图2a-2b为随着时间延长石墨烯畴逐渐连接在一起，形成超大尺寸单晶石墨烯。图2c-2d分别为石墨烯和Cu(111)典型的LEED结果，可以看到石墨烯和Cu(111)取向一致。
图3为单晶石墨烯样品的拉曼光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施方式一：一种对掺杂多晶铜箔退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法
一、将掺杂了金属元素的多晶铜箔放入化学气相沉积设备中，通入惰性气体，流量为300sccm以上，工作压强为常压(即一个大气压或约1×105Pa)，然后开始升温，升温过程持续50～70min；
二、温度升至800～1100℃时，通入H2气体，H2流量为2～500sccm，惰性气体流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为5～180min；
三、退火结束后，开始通入CH4和惰性气体的混合气体(CH4含量为200～20000ppm)，混合气流量为0.2～50sccm，同时调节H2流量为0.2～50sccm，惰性气体流量保持不变，工作压强为常压(即一个大气压或约1×105Pa)，生长时间为10min～20h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4混合气体，以惰性气体和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量大尺寸单晶石墨烯，即完成低成本制备超大尺寸单晶石墨烯。其中，所述惰性气体为N2或Ar。
本实施方式制备的大单晶石墨烯样品的光学图如图2(a)(b)所示，石墨烯单晶形状为六边形，尺寸可达1mm。图2(c)为所制备石墨烯样品的一个典型的低能电子衍射图(LEED)，由LEED结果可知每个畴的取向完全一致。图2(d)为石墨烯所在区域Cu的LEED图，通过与图2(c)对比可知，石墨烯与其下方Cu(111)取向一致。本试验制备的单晶石墨烯样品的拉曼光谱(激光波长为532nm)如图3所示，通过拉曼光谱可知，石墨烯具有很明显的2D峰、G峰，其中2D峰和G峰的强度比约为2.1，2D峰的半高宽约为39cm-1，说明所制备的样品为单层石墨烯。此外，石墨烯拉曼光谱中没有发现D峰，说明我们制备的单晶石墨烯质量很高。
高质量超大尺寸单晶石墨烯由小尺寸石墨烯畴区融合而成，Cu(111)单晶上石墨烯畴区取向一致，融合后形成无晶界的高质量超大尺寸石墨烯单晶；制备的石墨烯单晶尺寸与Cu(111)单晶尺寸一致，径向尺寸均为1～5cm。
上述方法中的工作压强为常压，即为一个大气压或约1×105Pa。
本实施方式包括以下有益效果：
1、本实施方式选用易获取的多晶铜箔做为原料，极大地降低了生长成本。
2、本实施方式以制备出的Cu(111)单晶为衬底，可以高重复率的获得大尺寸单晶石墨烯。
3、本实施方式过程简单、有效，节约时间与成本。
4、本实施方式生长的大单晶石墨烯尺寸大、质量高、缺陷少，在未来电子学上具有非常好的应用前景。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：本试验的一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂了1wt％金属元素Ca的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为500sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续70min；
二、温度升至1100℃时，通入H2气体，H2流量为500sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为40min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4含量为200ppm)，混合气体流量为0.2sccm，同时调节H2流量为2sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。
试验二：本试验的一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂了10wt％金属元素Mg的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为300sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续50min；
二、温度升至800℃时，通入H2气体，H2流量为20sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为40min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为5sccm，同时调节H2流量为50sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为20h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的取向一致的单晶石墨烯畴相互连接到一起，拼接成超级大单晶。
试验三：本试验的一种对多晶铜退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂0.1wt％金属元素Cr的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为700sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续60min；
二、温度升至1000℃时，通入H2气体，H2流量为200sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为40min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为50sccm，同时调节H2流量为50sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，石墨烯畴取向一致。
试验四：本试验的一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨
烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂了0.0001wt％金属元素Ca和0.1wt％金属元素Cr的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入N2，N2流量为500sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续60min；
二、温度升至1000℃时，N2和H2气体流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为120min；
三、退火结束后，开始通入CH4和N2的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为0.2sccm，同时调节H2流量为2sccm，N2流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以N2和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，石墨烯畴取向一致。
试验五：本试验的一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂金属元素Sr的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为500sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续50min；
二、温度升至1050℃时，通入H2气体，H2流量为20sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为40min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为0.2sccm，同时调节H2流量为2sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，石墨烯畴取向一致。
试验六：本试验的一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂金属元素的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为500sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续60min；
二、温度升至1000℃时，通入H2气体，H2流量为20sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为120min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为0.2sccm，同时调节H2流量为2sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，石墨烯畴取向一致。
试验七：本试验的一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂金属元素的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为500sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续60min；
二、温度升至1000℃时，通入H2气体，H2流量为20sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为60min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为0.2sccm，同时调节H2流量为10sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，石墨烯畴取向一致。
本实施方式证明，在有氧环境下对掺杂金属元素的多晶铜箔退火，均可得到大尺寸单晶Cu(111)并可以用它制备出大尺寸单晶石墨烯。
实施方式二：一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶铜箔并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法中升温过程中氧影响：
试验一：本试验的一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶铜箔并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂金属元素的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar和H2气体，Ar流量为500sccm，H2流量为20sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续60min；
二、温度升至1000℃时，H2，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为60min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为0.2sccm，同时调节H2流量为2sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，但是铜箔再结晶形成单晶Cu(100)。石墨烯畴取向不一致。
试验二：本试验的一种对掺杂多晶铜退火制备出单晶Cu(111)并制备出超大尺寸单晶石墨烯的方法是按以下步骤进行：
一、将掺杂金属元素的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为500sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续60min；
二、温度升至1000℃时，通入H2气体，H2流量为20sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为60min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为0.2sccm，同时调节H2流量为2sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，石墨烯畴取向一致。
本实施方式所得结果表明，升温过程中氧气的作用非常明显，在有氧环境中(升温过程不通入氢气)，铜箔会再结晶成单晶Cu(111)。用此Cu(111)做为衬底，可以制备出取向一致的大单晶石墨烯畴，从而制备出超大尺寸的单晶石墨烯。在无氧环境中(升温过程通入氢气)，铜箔会再结晶成单晶Cu(100)。用此Cu(100)做为衬底，可以制备出大单晶石墨烯畴，但是它们的取向不一致，因此无法制备出超大尺寸的单晶石墨烯。
对比例：对没有掺杂金属元素的多晶铜箔进行退火并生长石墨烯的工艺过程：
试验一：本试验方法是按以下步骤进行：
一、将没有掺杂金属元素的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar，流量为500sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续60min；
二、温度升至1000℃时，通入H2气体，H2流量为20sccm，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为60min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4含量为200ppm)，混合气体流量为0.2sccm，同时调节H2流量为2sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，但是铜箔单晶尺寸小，约为50um，并且取向随机，没有择优取向。石墨烯畴取向不一致。
试验二：本试验方法是按以下步骤进行：
一、将没有掺杂金属元素的多晶铜箔放在坩埚衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入Ar和H2气体，Ar流量为500sccm，H2流量为20sccm，工作压强为1×105Pa，然后开始升温，升温过程持续60min；
二、温度升至1000℃时，H2，Ar流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间为60min；
三、退火结束后，开始通入CH4和Ar的混合气体(CH4分压为200ppm)，混合气流量为0.2sccm，同时调节H2流量为2sccm，Ar流量保持不变，工作压强为1×105Pa，生长时间为18h；
四、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以Ar和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯，即完成低成本制备大尺寸单晶石墨烯。本试验制备的单晶石墨烯尺寸大、质量高，形状为六边形，单晶尺寸可达1mm，但是铜箔单晶尺寸小，约为50um，并且取向随机，没有择优取向。石墨烯畴取向不一致。
由实施方式一、二与对比例的比较结果表明，如果没有金属元素的掺杂，铜箔无法再结晶形成超大尺寸单晶Cu(111)或Cu(100)。铜箔会再结晶形成很多尺寸比较小的铜畴，并且他们的晶面指数各异，包括有Cu(111)、Cu(100)和Cu(220)等。石墨烯在这些晶面上取向各异，无法拼接形成超大石墨烯。

Claims (10)

1.一种单晶铜箔的制备方法，其特征在于，对金属元素掺杂的多晶铜箔进行退火获得单晶铜箔，所述单晶铜箔为Cu(111)单晶铜箔。
2.一种单晶石墨烯的制备方法，其特征在于，选用金属元素掺杂的多晶铜箔作为衬底，通过退火获得Cu(111)单晶铜箔，并在制备出的Cu(111)单晶铜箔表面生长出高质量单晶石墨烯。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述掺杂的金属元素为元素周期表内除铜以外的所有金属元素中的其中一种或多种，以铜箔和掺杂元素的总重量为100％计掺杂元素占比为0.0001wt％～10wt％；优选的是，所述掺杂的金属元素为包括Ca、Mg和Cr的组中的一种或多种，以铜箔和掺杂元素的总重量为100％计掺杂元素占比为0.0001wt％～10wt％。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(一)、将所述金属元素掺杂的多晶铜箔平置于耐高温衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入惰性气体，然后开始升温，所述的惰性气体为N2或Ar；
(二)、温度升至800～1100℃时，通入H2气体，H2流量为2～500sccm，进行退火过程，退火结束后即得到所述Cu(111)单晶铜箔。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(一)、将所述金属元素掺杂的多晶铜箔平置于耐高温衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入惰性气体，然后开始升温，所述的惰性气体为N2或Ar；
(二)、温度升至800～1100℃时，通入H2气体，H2流量为2～500sccm，进行退火过程；
(三)、退火结束后，开始通入CH4和惰性气体的混合气体，混合气体流量为0.2～50sccm(CH4占整个混合气体的体积含量为200～20000ppm)，同时调节H2的流量为0.2～50sccm，生长时间为10min～20h；
(四)、生长结束后，冷却至室温，即得到超大尺寸单晶石墨烯；
优选的是，所述方法包括如下步骤：
(一)、将所述金属元素掺杂的多晶铜箔放在耐高温衬底上，放入化学气相沉积设备中，通入惰性气体，流量为300sccm以上，然后开始升温，升温过程持续50～70min，所述的惰性气体为N2或Ar；
(二)、温度升至800～1100℃时，通入H2气体，H2流量为2～500sccm，惰性气体流量保持不变，进行退火过程，退火持续时间＞1min；
(三)、退火结束后，开始通入CH4和惰性气体的混合气体，混合气体流量为0.2～50sccm(CH4占整个混合气体的体积含量为200～20000ppm)，同时调节H2流量为0.2～50sccm，惰性气体流量保持不变，生长时间为10min～20h，；
(四)、生长结束后，关闭加热电源，停止通入CH4气体，以惰性气体和H2为保护气体，自然冷却至室温，在铜箔表面生长出高质量超大尺寸单晶石墨烯。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备出的单晶铜箔用来生长晶体结构具有三重对称性的超大尺寸单晶二维材料，优选的是，所述二维材料为石墨烯或BN。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤一中升温过程不通H2。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，制备出的Cu(111)单晶铜箔径向尺寸为1～5cm。
9.根据权利要求2-8任一项所述的方法，其特征在于，高质量超大尺寸单晶石墨烯由小尺寸石墨烯畴区融合而成，Cu(111)单晶铜箔上石墨烯畴区取向一致，融合后形成无晶界的高质量超大尺寸石墨烯单晶；制备的石墨烯单晶尺寸与Cu(111)单晶尺寸一致，径向尺寸为1～5cm。
10.一种超大尺寸单晶石墨烯，其特征在于，所述超大尺寸单晶石墨烯是由权利要求2-9任一项所述的方法所制备，所述超大尺寸单晶石墨烯的径向尺寸为1～5cm。
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Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106283179A (zh) * 2016-07-25 2017-01-04 福建师范大学 一种毫米级单层单晶石墨烯的制备方法
CN106521450A (zh) * 2016-12-02 2017-03-22 北京大学 一种制备超平整石墨烯的方法
CN106835260A (zh) * 2017-01-12 2017-06-13 北京大学 超大尺寸多层单晶石墨烯和大尺寸单晶铜镍合金的制备方法
CN107190315A (zh) * 2017-06-30 2017-09-22 北京大学 一种制备超平整无褶皱石墨烯单晶的方法
CN107500276A (zh) * 2017-09-19 2017-12-22 北京大学 一种利用醋酸铜制备超洁净石墨烯的方法
KR20180022728A (ko) * 2016-07-12 2018-03-06 기초과학연구원 단결정 금속포일, 및 이의 제조방법
CN108441951A (zh) * 2018-04-28 2018-08-24 华中科技大学 一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法
CN109652858A (zh) * 2018-12-11 2019-04-19 北京大学 一种利用层间耦合与台阶耦合的协同效应制备单晶六方氮化硼的方法
CN110273176A (zh) * 2018-03-16 2019-09-24 中国科学院化学研究所 一种制备大面积铜Cu（111）单晶的方法
CN110387575A (zh) * 2018-04-17 2019-10-29 浙江大学 一种为制备二维材料工业化生产表面单晶化铜基底的方法
CN110438556A (zh) * 2019-08-02 2019-11-12 北京石墨烯研究院 一种单晶铜箔的制备方法
CN110616454A (zh) * 2019-03-07 2019-12-27 北京大学 一种基于单晶二维材料/单晶铜的垂直异质外延单晶金属薄膜的方法
CN110699749A (zh) * 2018-07-09 2020-01-17 中国科学院化学研究所 一种制备大面积连续单层单晶石墨烯薄膜的方法
CN111188086A (zh) * 2020-02-27 2020-05-22 北京大学 一种超高导电多层单晶压合铜材料的制备方法及铜材料
WO2020173012A1 (zh) * 2019-02-27 2020-09-03 北京大学 一种克隆生长单晶金属的方法
CN111690983A (zh) * 2019-03-11 2020-09-22 北京大学 一种米级大单晶高指数面铜箔的制备方法
CN111826712A (zh) * 2019-04-15 2020-10-27 中国科学院化学研究所 一种制备晶片级均匀六方氮化硼薄膜的方法
CN112899768A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 南方科技大学 单晶铜的制备方法
CN112921396A (zh) * 2021-01-26 2021-06-08 南方科技大学 单晶石墨烯薄膜的制备方法
CN113463201A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 南京大学 一种将多晶银箔转变为高指数晶面银箔的退火方法
CN113737277A (zh) * 2021-09-06 2021-12-03 山东大学 一种基于化学气相沉积制备大尺寸单晶二维材料的方法
CN114447340A (zh) * 2020-11-06 2022-05-06 松山湖材料实验室 抗开裂的铜箔及电池
CN114540945A (zh) * 2022-01-25 2022-05-27 化学与精细化工广东省实验室潮州分中心 一种cvd石墨烯生长过程中的同步掺杂方法
CN114717654A (zh) * 2022-04-06 2022-07-08 北京石墨烯研究院 控制二维材料晶界角度的方法及其应用
CN115287757A (zh) * 2022-07-08 2022-11-04 中国科学院电工研究所 一种铜单晶片及单晶石墨烯的制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102995119A (zh) * 2011-09-08 2013-03-27 中国科学院上海硅酸盐研究所 大尺寸的六角形双层石墨烯单晶畴及其制备方法
CN103184425A (zh) * 2013-03-13 2013-07-03 无锡格菲电子薄膜科技有限公司 一种低温化学气相沉积生长石墨烯薄膜的方法
US20140014030A1 (en) * 2012-07-10 2014-01-16 William Marsh Rice University Methods for production of single-crystal graphenes
CN103643288A (zh) * 2013-11-29 2014-03-19 中国科学院金属研究所 一种高质量大尺寸单晶石墨烯的制备方法
CN104389016A (zh) * 2014-10-27 2015-03-04 中国科学院化学研究所 一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法
US20150292112A1 (en) * 2014-04-15 2015-10-15 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods of forming graphene single crystal domains
CN105112998A (zh) * 2015-09-07 2015-12-02 北京大学 一种氧化物衬底辅助的快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法
CN105229196A (zh) * 2013-05-21 2016-01-06 汉阳大学校产学协力团 大面积单晶单层石墨烯膜及其制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102995119A (zh) * 2011-09-08 2013-03-27 中国科学院上海硅酸盐研究所 大尺寸的六角形双层石墨烯单晶畴及其制备方法
US20140014030A1 (en) * 2012-07-10 2014-01-16 William Marsh Rice University Methods for production of single-crystal graphenes
CN103184425A (zh) * 2013-03-13 2013-07-03 无锡格菲电子薄膜科技有限公司 一种低温化学气相沉积生长石墨烯薄膜的方法
CN105229196A (zh) * 2013-05-21 2016-01-06 汉阳大学校产学协力团 大面积单晶单层石墨烯膜及其制备方法
CN103643288A (zh) * 2013-11-29 2014-03-19 中国科学院金属研究所 一种高质量大尺寸单晶石墨烯的制备方法
US20150292112A1 (en) * 2014-04-15 2015-10-15 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods of forming graphene single crystal domains
CN104389016A (zh) * 2014-10-27 2015-03-04 中国科学院化学研究所 一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法
CN105112998A (zh) * 2015-09-07 2015-12-02 北京大学 一种氧化物衬底辅助的快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BAOSHAN HU ET AL.，: "Epitaxial growth of large-area single-layer graphene over Cu(111)/sapphire by atmospheric pressure CVD", 《CARBON》 *
YUFENG HAO ET AL.: "The Role of Surface Oxygen in the Growth of Large Single-Crystal Graphene on Copper", 《SCIENCE》 *

Cited By (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109477237A (zh) * 2016-07-12 2019-03-15 基础科学研究院 单晶金属箔及其制造方法
KR20180022728A (ko) * 2016-07-12 2018-03-06 기초과학연구원 단결정 금속포일, 및 이의 제조방법
KR101878465B1 (ko) * 2016-07-12 2018-07-13 기초과학연구원 단결정 금속포일, 및 이의 제조방법
US11078594B2 (en) 2016-07-12 2021-08-03 Institute For Basic Science Single crystalline metal foil and manufacturing method therefor
US11879183B2 (en) 2016-07-12 2024-01-23 Institute For Basic Science Single crystalline metal foil and manufacturing method therefor
EP3483309A4 (en) * 2016-07-12 2020-03-18 Institute for Basic Science MONOCRISTALLINE METAL FILM AND PRODUCTION METHOD THEREFOR
KR101997545B1 (ko) 2016-07-12 2019-07-09 기초과학연구원 단결정 금속포일, 및 이의 제조방법
CN109477237B (zh) * 2016-07-12 2021-11-05 基础科学研究院 单晶金属箔及其制造方法
CN106283179A (zh) * 2016-07-25 2017-01-04 福建师范大学 一种毫米级单层单晶石墨烯的制备方法
CN106521450A (zh) * 2016-12-02 2017-03-22 北京大学 一种制备超平整石墨烯的方法
CN106835260A (zh) * 2017-01-12 2017-06-13 北京大学 超大尺寸多层单晶石墨烯和大尺寸单晶铜镍合金的制备方法
CN106835260B (zh) * 2017-01-12 2019-01-29 北京大学 超大尺寸多层单晶石墨烯和大尺寸单晶铜镍合金的制备方法
CN107190315A (zh) * 2017-06-30 2017-09-22 北京大学 一种制备超平整无褶皱石墨烯单晶的方法
CN107500276B (zh) * 2017-09-19 2019-12-24 北京大学 一种利用醋酸铜制备超洁净石墨烯的方法
CN107500276A (zh) * 2017-09-19 2017-12-22 北京大学 一种利用醋酸铜制备超洁净石墨烯的方法
CN110273176B (zh) * 2018-03-16 2020-11-03 中国科学院化学研究所 一种制备大面积铜Cu（111）单晶的方法
CN110273176A (zh) * 2018-03-16 2019-09-24 中国科学院化学研究所 一种制备大面积铜Cu（111）单晶的方法
CN110387575A (zh) * 2018-04-17 2019-10-29 浙江大学 一种为制备二维材料工业化生产表面单晶化铜基底的方法
CN108441951A (zh) * 2018-04-28 2018-08-24 华中科技大学 一种快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法
CN110699749A (zh) * 2018-07-09 2020-01-17 中国科学院化学研究所 一种制备大面积连续单层单晶石墨烯薄膜的方法
CN109652858A (zh) * 2018-12-11 2019-04-19 北京大学 一种利用层间耦合与台阶耦合的协同效应制备单晶六方氮化硼的方法
CN109652858B (zh) * 2018-12-11 2020-09-08 北京大学 一种利用层间耦合与台阶耦合的协同效应制备单晶六方氮化硼的方法
WO2020173012A1 (zh) * 2019-02-27 2020-09-03 北京大学 一种克隆生长单晶金属的方法
JP2022522445A (ja) * 2019-02-27 2022-04-19 北京大学 単結晶金属のクローナル成長の方法
JP7368866B2 (ja) 2019-02-27 2023-10-25 北京大学 単結晶金属のクローナル成長の方法
CN110616454A (zh) * 2019-03-07 2019-12-27 北京大学 一种基于单晶二维材料/单晶铜的垂直异质外延单晶金属薄膜的方法
CN111690983A (zh) * 2019-03-11 2020-09-22 北京大学 一种米级大单晶高指数面铜箔的制备方法
CN111690983B (zh) * 2019-03-11 2021-04-30 北京大学 一种米级大单晶高指数面铜箔的制备方法
CN111826712A (zh) * 2019-04-15 2020-10-27 中国科学院化学研究所 一种制备晶片级均匀六方氮化硼薄膜的方法
CN110438556B (zh) * 2019-08-02 2020-10-16 北京石墨烯研究院 一种单晶铜箔的制备方法
CN110438556A (zh) * 2019-08-02 2019-11-12 北京石墨烯研究院 一种单晶铜箔的制备方法
CN111188086A (zh) * 2020-02-27 2020-05-22 北京大学 一种超高导电多层单晶压合铜材料的制备方法及铜材料
CN114447340A (zh) * 2020-11-06 2022-05-06 松山湖材料实验室 抗开裂的铜箔及电池
CN112899768A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 南方科技大学 单晶铜的制备方法
CN112921396A (zh) * 2021-01-26 2021-06-08 南方科技大学 单晶石墨烯薄膜的制备方法
CN113463201A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 南京大学 一种将多晶银箔转变为高指数晶面银箔的退火方法
CN113737277A (zh) * 2021-09-06 2021-12-03 山东大学 一种基于化学气相沉积制备大尺寸单晶二维材料的方法
CN113737277B (zh) * 2021-09-06 2022-07-26 山东大学 一种基于化学气相沉积制备大尺寸单晶二维材料的方法
CN114540945A (zh) * 2022-01-25 2022-05-27 化学与精细化工广东省实验室潮州分中心 一种cvd石墨烯生长过程中的同步掺杂方法
CN114717654A (zh) * 2022-04-06 2022-07-08 北京石墨烯研究院 控制二维材料晶界角度的方法及其应用
CN114717654B (zh) * 2022-04-06 2023-11-03 北京石墨烯研究院 控制二维材料晶界角度的方法及其应用
CN115287757A (zh) * 2022-07-08 2022-11-04 中国科学院电工研究所 一种铜单晶片及单晶石墨烯的制备方法

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