CN107500278A - 一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，涉及石墨烯材料的制备技术领域。包括以下步骤：选择绝缘衬底，对绝缘衬底清洗，干燥；将清洗好的绝缘衬底放入CVD设备中，抽真空至≤10‑4mbar；开启微波电源，真空环境升温，去除绝缘衬底表面吸附的气体；通入氩气和氢气作为载气，氩气流量为1‑30L/min，氢气流量为1‑60L/min；通入气态碳源，气态碳源流量与氢气流量之比控制在0.001％‑50％之间；通入气态氮源，流量为0.005‑2L/min；在生长温度在500‑1800℃之间，保持气体压力为500‑1000mbar，持续时间为1‑100min，在绝缘衬底表面得到1‑5层P型掺杂的石墨烯。该方法操作简单，成本低，可控制石墨烯材料表面褶皱密度，有助于制备表面形貌平坦，高质量的石墨烯材料。

Description

一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料的制备技术领域，尤其涉及一种新型方法，用于制备低褶皱密度的石墨烯材料。
背景技术
石墨烯是由碳原子构成的二维六边形结构，具有超高的电子迁移率和优良的导热性，可广泛应用于纳米电子器件、超高速计算机芯片、高效率能量储存、固态气敏传感器、场发射材料和微电子集成等多种领域。
目前在绝缘衬底上化学气相沉积(CVD)法生长的石墨烯材料表面有大量的褶皱，其中有相当一部分是材料生长过程中产生的。褶皱导致散射增多，材料电学特性降低。在器件加工过程中，部分褶皱倒伏，导致部分区域石墨烯层数不均匀，对器件特性产生不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，该方法操作简单，成本低，可控制石墨烯材料表面褶皱密度，有助于制备表面形貌平坦，高质量的石墨烯材料。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，包括以下步骤：
(1)选择绝缘衬底，对绝缘衬底清洗，干燥；
(2)将步骤(1)清洗好的绝缘衬底放入CVD设备中，抽真空至≤10-4mbar；
(3)开启微波电源，真空环境升温，去除绝缘衬底表面吸附的气体；
(4)通入氩气和氢气作为载气，氩气流量为1-30L/min，氢气流量为1-60L/min；
(5)通入气态碳源，气态碳源流量与氢气流量之比控制在0.001％-50％之间；
(6)通入气态氮源，流量为0.005-2L/min；
(7)在生长温度为500-1800℃下，保持气体压力为500-1000mbar，持续时间为1-100min，在绝缘衬底表面得到1-5层P型掺杂的石墨烯，形成低褶皱密度石墨烯材料。
优选的，步骤(1)中，绝缘衬底为SiC衬底，蓝宝石衬底，金刚石衬底，类金刚石衬底或者玻璃衬底。
优选的，步骤(1)中，对绝缘衬底分别用浓硫酸、王水和氢氟酸溶液加热清洗，去离子水冲洗，氮气枪吹干后放在防尘装置内，在烘箱中干燥。
优选的，步骤(3)中，真空环境升温至500℃，去除绝缘衬底表面吸附的气体。
优选的，步骤(5)中，气态碳源为甲烷，乙烷，乙烯，乙炔或者丙烷。
优选的，步骤(6)中，气态氮源为氮气，一氧化氮或者二氧化氮。
优选的，步骤(7)在绝缘衬底表面得到1-10层P型掺杂的石墨烯后，关闭微波电源，停止氢气、氩气、气态碳源和气态氮源，自然冷却降至室温。
本发明原理：在绝缘衬底上化学气相沉积(CVD)法生长的石墨烯材料具有无需衬底转移，成本低廉，易与Si基半导体工艺相结合的优点。在CVD法生长过程中，C原子在绝缘衬底表面自由成核，形成小晶粒并向周围扩展生长，在生长过程中，晶粒边缘处C原子处于不饱和价键，相邻的石墨烯晶粒接触产生晶界，在晶界处C原子向纵向生长，隆起一定的高度，最终形成石墨烯表面的褶皱。本发明在石墨烯生长过程中，通入气态氮源，高温下分解为自由N原子，与石墨烯晶界处C原子结合，通过N原子抑制晶界区域C原子向纵向生长，进而控制石墨烯材料表面褶皱密度。在石墨烯生长过程中，N原子仅与石墨烯晶界边缘处C原子结合，并未进入石墨烯晶格内部。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明通过生长过程中调节气态氮源的流量等，控制石墨烯材料表面褶皱密度，有助于制备表面形貌平坦，高质量的石墨烯材料；
(2)本发明方法操作简单，成本低，适于推广应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，包括以下步骤：
(1)选择SiC衬底，对SiC衬底分别用浓硫酸、王水和氢氟酸溶液加热清洗，去离子水冲洗，氮气枪吹干后放在防尘装置内，在烘箱中干燥；
(2)将步骤(1)清洗好的SiC衬底放入CVD反应炉中，抽真空至≤10-4mbar；
(3)开启微波电源，真空环境升温至500℃，去除绝缘衬底表面吸附的气体；
(4)通入氩气和氢气作为载气，氩气流量为5L/min，氢气流量为5L/min；
(5)通入气态碳源丙烷，丙烷流量为0.1L/min；
(6)通入气态氮源氮气，氮气流量为0.2L/min；
(7)在生长温度为1550℃下，保持气体压力为900mbar，生长时间为30min，在SiC衬底表面得到1层P型掺杂的石墨烯，褶皱密度小于0.1个每平方微米，石墨烯拉曼2D峰半高宽≤30cm-1；
(8)关闭微波电源，停止氢气、氩气、气态碳源和气态氮源，自然冷却降至室温。
实施例2
一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，与实施例1的区别在于：选择蓝宝石衬底，气态碳源为丙烷，气态氮源为氮气，生长温度为1150℃，生长压力为500mbar，生长时间为95min，氩气流量为3L/min，氢气流量为10L/min，气态碳源流量为0.022L/min，气态氮源流量为0.05L/min，制备的石墨烯材料为1层，褶皱密度小于0.1个每平方微米，石墨烯拉曼2D峰半高宽≤30cm-1。
实施例3
一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，与实施例1的区别在于：选择金刚石衬底，气态碳源为丙烷，气态氮源为一氧化氮，生长温度为1750℃，生长压力为500mbar，生长时间为10min，氩气流量为25L/min，氢气流量为50L/min，气态碳源流量为1L/min，气态氮源流量为2L/min，制备的石墨烯材料为3层，褶皱密度小于0.1个每平方微米，石墨烯拉曼2D峰半高宽≤30cm-1。
实施例4
一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，与实施例1的区别在于：选择类金刚石衬底，气态碳源为甲烷，气态氮源为氮气，生长温度为1750℃，生长压力为500mbar，生长时间为10min，氩气流量为5L/min，氢气流量为5L/min，气态碳源流量为0.1L/min，气态氮源流量为0.2L/min，制备的石墨烯材料为1层，褶皱密度小于0.1个每平方微米，石墨烯拉曼2D峰半高宽≤30cm-1。
实施例5
一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，与实施例1的区别在于：选择玻璃衬底，气态碳源为乙炔，气态氮源为二氧化氮，生长温度为550℃，生长压力为500mbar，生长时间为100min，氩气流量为0.3L/min，氢气流量为1L/min，气态碳源流量为0.25L/min，气态氮源流量为0.2L/min，制备的石墨烯材料为5层，褶皱密度小于0.1个每平方微米，石墨烯拉曼2D峰半高宽≤30cm-1。

Claims (7)

1.一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)选择绝缘衬底，对绝缘衬底清洗，干燥；
(2)将步骤(1)清洗好的绝缘衬底放入CVD设备中，抽真空至≤10-4mbar；
(3)开启微波电源，真空环境升温，去除绝缘衬底表面吸附的气体；
(4)通入氩气和氢气作为载气，氩气流量为1-30L/min，氢气流量为1-60L/min；
(5)通入气态碳源，气态碳源流量与氢气流量之比控制在0.001％-50％之间；
(6)通入气态氮源，流量为0.005-2L/min；
(7)在生长温度为500-1800℃下，保持气体压力为500-1000mbar，持续时间为1-100min，在绝缘衬底表面得到1-5层P型掺杂的石墨烯，形成低褶皱密度石墨烯材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，其特征在于，步骤(1)中，绝缘衬底为SiC衬底，蓝宝石衬底，金刚石衬底，类金刚石衬底或者玻璃衬底。
3.根据权利要求1所述的一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，其特征在于，步骤(1)中，对绝缘衬底分别用浓硫酸、王水和氢氟酸溶液加热清洗，去离子水冲洗，氮气枪吹干后放在防尘装置内，在烘箱中干燥。
4.根据权利要求1所述的一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，其特征在于，步骤(3)中，真空环境升温至500℃，去除绝缘衬底表面吸附的气体。
5.根据权利要求1所述的一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，其特征在于，步骤(5)中，气态碳源为甲烷，乙烷，乙烯，乙炔或者丙烷。
6.根据权利要求1所述的一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，其特征在于，步骤(6)中，气态氮源为氮气，一氧化氮或者二氧化氮。
7.根据权利要求1所述的一种制备低褶皱密度石墨烯材料的生长方法，其特征在于，步骤(7)在绝缘衬底表面得到1-10层P型掺杂的石墨烯后，关闭微波电源，停止氢气、氩气、气态碳源和气态氮源，自然冷却降至室温。
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