CN107032331B - 一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法。首先将氧化石墨烯水溶液悬涂到亲水化处理后的绝缘基底上，然后将两片石英片沿着绝缘基底边缘平行放置，中间空隙作为石墨烯生长区域，再将铜箔盖在石英片上方后一并放入到管式炉中。通入高纯氩气、氢气和甲烷，利用氧化石墨烯、铜箔和甲烷分别作为石墨烯生长的种子、催化剂和碳源，在绝缘基底上以氧化石墨烯为中心直接生长出石墨烯。本发明省去化学气相沉积法中聚合物悬涂、金属催化剂刻蚀和聚合物溶解等步骤，简化工艺，减少缺陷产生。同时该方法通过压力及气体流量的调节，可以在绝缘基底上可控生长出不同尺寸和不同形貌的石墨烯，满足不同领域的需求。

Description

一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种石墨烯的制备方法，更具体是涉及一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法。
背景技术
石墨烯具有极高的强度、良好的透光性和优异的电学性质，这些优异的性质使其可以应用于电子元器件、催化和传感器等领域。目前制备石墨烯的方法主要包括机械剥离法，化学氧化还原法，外延生长法，化学气相沉积法(CVD)等。化学气相沉积法是利用金属Cu、Ni等作为催化剂，甲烷、乙炔等气体作为碳源，在高温(1000-1050℃)下生长出石墨烯。相比其它几种方法，CVD法制备的石墨烯具有尺寸大、缺陷少等优点。但该方法合成出来的石墨烯需要转移到绝缘基底上才能应用到光伏电池、半导体器件等领域。
在本发明之前，相关的研究工作主要是用有机高分子(PMMA、PDMS等)来转移石墨烯，但转移的工艺过程复杂难以得到大面积连续的石墨烯，并且转移所用的PMMA、PDMS很难被完全脱除，导致石墨烯缺陷的增加。因此，有研究尝试直接在绝缘基底上生长石墨烯，省去转移步骤。例如，张跃刚等人利用甲烷为碳源、金属Cu为催化剂，通过持续加热将石英片上的Cu逐渐挥发掉，从而将石墨烯直接生长到石英片上。Tour等人将400纳米Ni蒸镀到二氧化硅基底上，再将高分子悬涂到Ni表面，加热生长后将Ni层刻蚀掉，从而将石墨烯直接生长到二氧化硅上。但这些方法生长出的石墨烯尺寸和形貌难以控制，会直接影响到石墨烯的电学、力学等性质，从而限制其在诸多领域的应用，因此在绝缘基底上可控合成石墨烯具有许多现实意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题和不足，提供了一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法，首先将氧化石墨烯水溶液悬涂到亲水化处理后的绝缘基底上，然后将两片石英片沿着绝缘基底边缘平行放置，中间空隙作为石墨烯生长区域，再将铜箔盖在石英片上方后一并放入到管式炉中。通入高纯氩气、氢气和甲烷，利用氧化石墨烯、铜箔和甲烷分别作为石墨烯生长的种子、催化剂和碳源，在绝缘基底上以氧化石墨烯为中心直接生长出石墨烯。
具体包括以下步骤：
步骤一：将绝缘基底放入按质量比3：1预制好的浓硫酸与双氧水混合溶液中，90℃反应2小时，取出绝缘基底并用去离子水洗涤三次，将氧化石墨烯水溶液悬涂在绝缘基底上；
步骤二：将两片石英片和一片铜箔先后放置在悬涂有氧化石墨烯的绝缘基底上，放入内径为25-50mm石英管中；所述两片石英片分别沿着绝缘基底的任一两边缘平行放置，铜箔放置在两片石英片上，中间空隙作为石墨烯生长区域；
步骤三：将石英管放入管式炉中，通入高纯氩气和氢气，保持压力为10-500mtorr，升温至1080-1100℃，通入甲烷，利用绝缘基底上的氧化石墨烯为种子，在绝缘基底上生长石墨烯，恒温2-8小时关闭甲烷和管式炉，快速降温至室温，将生长有石墨烯的绝缘基底从石英管中取出；
步骤四：取下石英片和铜箔，将长有石墨烯的绝缘基底分别用稀盐酸和去离子水洗涤3次；所述稀盐酸的质量分数为1-3％。
上述所述氧化石墨烯由Hummer法制得，氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的平均粒径为200-500nm，氧化石墨烯的质量浓度为0.01-0.1mg/mL。
上述所述绝缘基底为蓝宝石、二氧化硅或氮化硅。
上述所述石英片厚度为1-5mm，铜箔厚度为10-25um。
上述所述氩气流量为50-200sccm，氢气流量为10-50sccm，甲烷流量为1-10sccm。
本发明针对目前利用化学气相沉积法在绝缘基底上生长石墨烯需要经过石墨烯转移、金属催化剂刻蚀和聚合物溶解等步骤，工艺复杂且聚合物难以全部脱除导致石墨烯缺陷增加等缺点，采用氧化石墨烯、铜箔和甲烷分别作为石墨烯生长的种子、催化剂和碳源，在绝缘基底上以氧化石墨烯为中心直接生长出可控尺寸和可控形貌的石墨烯，其优点和有益效果是：
(1)直接在绝缘基底上生长石墨烯，省去化学气相沉积法中聚合物悬涂、金属催化剂刻蚀和聚合物溶解等步骤，简化工艺，减少缺陷产生；
(2)通过压力及气体流量的调节，在绝缘基底上可控生长出不同尺寸和不同形貌的石墨烯，从而应用于不同领域中。
附图说明
图1是利用本发明的方法在绝缘基底上生长石墨烯的反应示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如附图1所示，本发明的一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法，具体步骤是：
(1)二氧化硅处理和氧化石墨烯悬涂：
将尺寸为20mm*20mm的二氧化硅放入预制好的50mL浓硫酸与双氧水(体积比3：1)混合溶液中，90℃反应2小时，取出二氧化硅并用去离子水洗涤三次，将100uL质量浓度为0.01mg/mL的氧化石墨烯水溶液悬涂到二氧化硅上；
(2)二氧化硅/石英片/铜箔结构设计：
将两片长宽分别为20mm*5mm石英片和一片厚度为25um的铜箔先后放置在悬涂有氧化石墨烯的二氧化硅基底上，一并放入内径为35mm石英管中，两片石英片分别沿着二氧化硅基底任意两边缘平行放置，一片铜箔盖在石英片上方，中间空隙作为石墨烯生长区域；
(3)石墨烯生长
将石英管放入管式炉中，通入200sccm高纯氩气和50sccm氢气，保持压力为500mtorr，升温至1080℃，通入5sccm甲烷，利用二氧化硅基底上的氧化石墨烯为种子，在二氧化硅基底上生长石墨烯，恒温2小时关闭甲烷和管式炉，快速降温至室温，将生长有石墨烯的二氧化硅基底从石英管中取出；
(4)酸洗、水洗处理
取下石英片和铜箔，将长有石墨烯的二氧化硅基底分别用质量浓度为1％稀盐酸和去离子水洗涤3次。
实施例2
如附图1所示，本发明的一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法，具体步骤是：
(1)氮化硅处理和氧化石墨烯悬涂：
将尺寸为15mm*15mm的氮化硅放入预制好的50mL浓硫酸与双氧水(体积比3：1)混合溶液中，90℃反应2小时，取出氮化硅并用去离子水洗涤三次，将50uL质量浓度为0.05mg/mL的氧化石墨烯水溶液悬涂到二氧化硅上；
(2)氮化硅/石英片/铜箔结构设计：
将两片长宽分别为15mm*5mm石英片和一片厚度为15um的铜箔先后放置在悬涂有氧化石墨烯的氮化硅基底上，一并放入内径为30mm石英管中，两片石英片分别沿着二氧化硅基底任意两边缘平行放置，一片铜箔盖在石英片上方，中间空隙作为石墨烯生长区域；
(3)石墨烯生长
将石英管放入管式炉中，通入150sccm高纯氩气和35sccm氢气，保持压力为100mtorr，升温至1090℃，通入3sccm甲烷，利用氮化硅基底上的氧化石墨烯为种子，在氮化硅基底上生长石墨烯，恒温5小时关闭甲烷和管式炉，快速降温至室温，将生长有石墨烯的氮化硅基底从石英管中取出；
(4)酸洗、水洗处理
取下石英片和铜箔，将长有石墨烯的氮化硅基底分别用质量浓度为1％稀盐酸和去离子水洗涤3次。
实施例3
如附图1所示，本发明的一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法，具体步骤是：
(1)蓝宝石处理和氧化石墨烯悬涂：
将尺寸为12mm*12mm的蓝宝石放入预制好的50mL浓硫酸与双氧水(体积比3：1)混合溶液中，90℃反应2小时，取出蓝宝石并用去离子水洗涤三次，将30uL质量浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯水溶液悬涂到蓝宝石上；
(2)蓝宝石/石英片/铜箔结构设计：
将两片长宽分别为12mm*4mm石英片和一片厚度为25um的铜箔先后放置在悬涂有氧化石墨烯的蓝宝石基底上，一并放入内径为25mm石英管中，两片石英片分别沿着二氧化硅基底任意两边缘平行放置，一片铜箔盖在石英片上方，中间空隙作为石墨烯生长区域；
(3)石墨烯生长
将石英管放入管式炉中，通入50sccm高纯氩气和10sccm氢气，保持压力为10mtorr，升温至1100℃，通入2sccm甲烷，利用蓝宝石底上的氧化石墨烯为种子，在蓝宝石基底上生长石墨烯，恒温8小时关闭甲烷和管式炉，快速降温至室温，将生长有石墨烯的蓝宝石基底从石英管中取出；
(4)酸洗、水洗处理
取下石英片和铜箔，将长有石墨烯的蓝宝石基底分别用质量浓度为1％稀盐酸和去离子水洗涤3次。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (1)

1.一种基于绝缘基底的石墨烯制备方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一、将绝缘基底放入按质量比3：1预制好的浓硫酸与双氧水混合溶液中，90℃反应2小时，取出绝缘基底并用去离子水洗涤三次，将氧化石墨烯水溶液悬涂在绝缘基底上；
步骤二、将两片石英片和一片铜箔先后放置在悬涂有氧化石墨烯的绝缘基底上，放入石英管中；所述两片石英片分别沿着绝缘基底的任一两边缘平行放置，铜箔放置在两片石英片上，中间空隙作为石墨烯生长区域；
步骤三、将石英管放入管式炉中，通入高纯氩气和氢气，保持压力为10-500mtorr，升温至1080-1100℃，通入甲烷，利用绝缘基底上的氧化石墨烯为种子，在绝缘基底上生长石墨烯，恒温2-8小时关闭甲烷和管式炉，快速降温至室温，分别将铜箔、石英片和生长有石墨烯的绝缘基底从石英管中取出；
步骤四、取下石英片和铜箔，将长有石墨烯的绝缘基底分别用稀盐酸和去离子水洗涤3次；
其中，所述氧化石墨烯由Hummer法制得，氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的平均粒径为200-500nm，氧化石墨烯的质量浓度为0.01-0.1mg/mL；
所述绝缘基底为蓝宝石、二氧化硅或氮化硅；
所述石英片厚度为1-5mm，铜箔厚度为10-25um；
步骤三所述氩气流量为50-200sccm，氢气流量为10-50sccm，甲烷流量为1-10sccm；
所述稀盐酸的质量分数为1-3％。
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CN107804842A (zh) * 2017-10-24 2018-03-16 南昌航空大学 基于蓝宝石基体生长石墨烯的表面处理方法
CN107863200A (zh) * 2017-10-27 2018-03-30 成都天航智虹知识产权运营管理有限公司 制备导电薄膜的方法
CN110155991A (zh) * 2019-04-24 2019-08-23 华东师范大学 一种氧化还原石墨烯和氮掺杂石墨烯的制备方法
CN110803696A (zh) * 2019-10-10 2020-02-18 广东墨睿科技有限公司 一种利用化学气相沉积法一步制成石墨烯粉末的方法
CN113184835B (zh) * 2021-05-12 2022-08-12 电子科技大学 一种压力辅助蒸发转移石墨烯的方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102931078B (zh) * 2012-10-22 2015-07-29 西安电子科技大学 蓝宝石衬底转移石墨烯的退火方法
CN103172061A (zh) * 2013-04-16 2013-06-26 北京大学 一种在绝缘衬底上生长大面积石墨烯的方法
KR101701237B1 (ko) * 2013-05-21 2017-02-03 한양대학교 산학협력단 대면적의 단결정 단일막 그래핀 및 그 제조방법
CN104649259B (zh) * 2015-02-06 2016-08-17 北京大学 一种大单晶石墨烯及其制备方法
CN105112999B (zh) * 2015-09-09 2017-11-28 中国计量科学研究院 一种制备单晶石墨烯的方法

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