CN107381553A - 一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法 - Google Patents

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彭寿
王东
鲍田
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Abstract

本发明公开一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：S1、使碳在液态金属中溶解，并达到饱和；所述液态金属对碳是惰性的，不能形成碳化物；S2、在基板表面附着若干石墨烯片，石墨烯片之间相互间隔；所述基板对液态金属与碳都是惰性的；S3、将基板的附着面朝下，使基板倾斜浸入液态金属；S4、降低液态金属的温度，使碳析出并上浮，上浮的碳为石墨烯生长提供碳源；S5、相邻的石墨烯片之间通过上浮的碳生长石墨烯，使所有的石墨烯片最终拼接在一起，形成完整的石墨烯薄膜；本发明能有效减少基板表面石墨烯的缺陷，提高石墨烯薄膜的质量和均匀性，且成本低、适于大范围推广使用。

Description

一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体是一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法。
背景技术
目前在基板表面生长石墨烯薄膜的方法主要有两种：一种是液相涂膜法，即利用液相剥离石墨烯或还原氧化石墨烯为原料，在基板表面涂覆一层石墨烯薄膜；另一种是化学气相沉积法，即利用化学反应物沉积在基板表面得到石墨烯薄膜。
对于液相涂膜法，主要有旋涂、辊涂、喷涂等方式，此方法可以大规模廉价制备大面积石墨烯薄膜，缺点在于制备的石墨烯薄膜的连续性、均匀性和品质都很差，与理论性能存在很大差距。原因在于：1）当使用液相剥离石墨烯作为原料时，由于石墨烯分散液的浓度极低，当涂层太薄时，基板表面的石墨烯片分布不均，且不连续，透光性虽好，但导电性能差；当涂层太厚时，基板表面石墨烯片层数太多，片层叠加严重，导电性能虽好，但透光性能很差；2）当使用还原氧化石墨烯作为原料时，化学法还原法成本低，但不能够完全恢复氧化过程中导致的结构破坏，使得石墨稀薄膜性能大幅降低；高温还原法对氧化石墨烯的还原较为彻底，但在高温下难以保证薄膜的成形性。
对于化学气相沉积法，通常是先在金属箔片上生长石墨烯薄膜，然后再将薄膜转移到其它基底上，此法制得的石墨烯薄膜质量高，层数可控，缺点在于金属箔片面积有限，且多采用高纯的铜、镍为基材，成本较高，难以制备较大尺寸的高质量薄膜，难以大规模推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，该方法能有效减少基板表面石墨烯的缺陷，提高石墨烯薄膜的质量和均匀性，且成本低、适于大范围推广使用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：
S1、使碳在液态金属中溶解，并达到饱和；所述液态金属对碳是惰性的，不能形成碳化物；
S2、在基板表面附着若干石墨烯片，石墨烯片之间相互间隔；所述基板对液态金属与碳都是惰性的；
S3、将基板的附着面朝下，使基板倾斜浸入液态金属；
S4、降低液态金属的温度，使碳析出并上浮，上浮的碳为石墨烯生长提供碳源；
S5、相邻的石墨烯片之间通过上浮的碳生长石墨烯，使所有的石墨烯片最终拼接在一起，形成完整的石墨烯薄膜；
所述步骤S1～S5均在惰性保护性气氛中进行。
进一步的，所述步骤S1～S3液态金属的温度为1100～2500℃，步骤S4液态金属的降温终点温度为1000℃。
进一步的，所述步骤S4按照0.01～10℃/min的降温速率进行降温。
进一步的，所述步骤S4中使液态金属竖直方向存在温差，利用温差在液态金属内形成对流使析出的碳上浮。
进一步的，所述步骤S4采用在液态金属底部设置推进式搅拌器的方式，使析出的碳上浮。
本发明的有益效果是：
一、采用石墨烯片作为晶核，可以在基板上通过生长制得连续均匀的石墨稀薄膜，导电性能和透光性能都能得到保障；
二、基板上预先提供的石墨烯晶核大大提高了薄膜生长速度；
三、碳在液态金属中的溶解度很小，配合液态金属降温速度，使碳源浓度很低，适合高质量薄膜的生长；
四、采用外力推动碳源上浮，提高了碳源的输送速度，有利于提高薄膜生长速度；
五、当碳源上浮到达基板下表面时，液态金属的流动性促进了碳源在基板下表面的迁移速度，再加上基板倾斜的导流作用，使碳源与基板下表面充分接触，有利于碳源与晶核的结合及薄膜的生长；
六、本发明在1000℃以上的高温下进行，可以有效减少基板表面石墨烯的缺陷，有利提高石墨烯薄膜的质量和均匀性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明提供一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：
S1、使碳在液态金属中溶解，并达到饱和；
本实施例选用锡液作为液态金属，锡液对碳是惰性的，不能形成碳化物，在2200℃时，碳在锡液中的最大溶解度约为0.23%，能以原子溶液的形式存在，碳在锡液中的溶解度与温度有较好的线性关系，随温度升高而增加；
在惰性保护性气氛环境中，在刚玉坩埚2中放入1000g锡液，向锡液1中投入 3g石墨粉，在1600℃恒温1.5小时后，锡液中碳含量基本趋近饱和，然后除去浮在锡液表面未溶解的石墨粉；
S2、在基板表面附着若干石墨烯片，石墨烯片之间相互间隔；所述基板对液态金属与碳都是惰性的；
本实施例采用蓝宝石材质基板，在本实施例的操作温度范围内，蓝宝石基板对锡液是惰性的，对碳也是惰性的；
将液态剥离法制备的石墨烯分散液刮涂在基板3的表面，只刮涂一次，保证石墨烯片以单层或少层结构存在，然后在真空环境下高温干燥，使诸多微小石墨烯片层附着在基板3的表面，基板3面积10cm2；
S3、将基板3的附着面朝下，使基板倾斜浸入锡液1中；
S4、以0.5～1℃/min的速度降低锡液1的温度，使碳原子以极缓慢的速度析出，并使析出的碳上浮；
S5、相邻的石墨烯片之间通过上浮的碳生长石墨烯，使所有的石墨烯片最终拼接在一起，形成完整的石墨烯薄膜；
降温200min后，将基板3取出、退火后，即得到表面附着有石墨烯薄膜的基板。
实施例二
如图1所示，本发明提供一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：
S1、使碳在液态金属中溶解，并达到饱和；
本实施例仍然选用锡液作为液态金属，在惰性保护性气氛环境中，在刚玉坩埚2中放入1000g锡液，向锡液1中投入 3g石墨粉，在1100℃恒温2小时后，锡液中碳含量基本趋近饱和，然后除去浮在锡液表面未溶解的石墨粉；
S2、在基板表面附着若干石墨烯片，石墨烯片之间相互间隔；所述基板对液态金属与碳都是惰性的；
本实施例采用石英玻璃材质基板，在本实施例的操作温度范围内，石英玻璃材质基板对锡液是惰性的，对碳也是惰性的；
将化学气相沉积法制得的石墨烯薄膜剪切成若干小片，贴在基板3表面，经高温处理后，使上述石墨烯片固化在基板表面；
S3、将基板3的附着面朝下，使基板倾斜浸入锡液1中；
S4、以0.5～1℃/min的速度降低锡液1的温度，使碳原子以极缓慢的速度析出，并使析出的碳上浮；
S5、相邻的石墨烯片之间通过上浮的碳生长石墨烯，使所有的石墨烯片最终拼接在一起，形成完整的石墨烯薄膜；
锡液从1100℃降至1000℃后，将基板3取出、退火后，即得到表面附着有石墨烯薄膜的基板。
本发明使基板表面预先附着若干石墨烯片，形成各自独立的石墨烯岛，每个石墨烯岛可以作为石墨烯生长的结晶核，每个结晶核的周围存在大量悬键，有利于与碳原子结合使结晶尺寸扩大；在高温下降低碳的饱和液态金属溶液的温度，碳的溶解度下降后就会从液态金属溶液析出，为石墨烯生长提供碳源；当析出的碳原子上浮到达石墨烯岛的边缘时，就会与结晶核结合，使结晶核在横向尺寸上不断增大，最终这些独立的石墨烯岛逐渐拼接在一起，形成完整的石墨烯薄膜。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使碳在液态金属中溶解，并达到饱和；所述液态金属对碳是惰性的，不能形成碳化物；
S2、在基板表面附着若干石墨烯片，石墨烯片之间相互间隔；所述基板对液态金属与碳都是惰性的；
S3、将基板的附着面朝下，使基板倾斜浸入液态金属；
S4、降低液态金属的温度，使碳析出并上浮，上浮的碳为石墨烯生长提供碳源；
S5、相邻的石墨烯片之间通过上浮的碳生长石墨烯，使所有的石墨烯片最终拼接在一起，形成完整的石墨烯薄膜；
所述步骤S1～S5均在惰性保护性气氛中进行。
2.根据权利要求1所述的一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S1～S3液态金属的温度为1100～2500℃，步骤S4液态金属的降温终点温度为1000℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S4按照0.01～10℃/min的降温速率进行降温。
4.根据权利要求1所述的一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S4中使液态金属竖直方向存在温差，利用温差在液态金属内形成对流
使析出的碳上浮。
5.根据权利要求1所述的一种在基板表面生长石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S4采用在液态金属底部设置推进式搅拌器的方式，使析出的碳上浮。
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