CN107522191B - 一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法,具体包括制备覆盖镍的铜衬底,在真空的保护气氛中快速升温,到达特定的生长温度后,通入工艺气体进行石墨烯生长。生长初期金属表面为镍,可以有效控制石墨烯的形核点。生长过程中,铜逐步扩散至镍层形成富镍的铜镍合金,可以促进形核点快速生长。随着表面层中铜组份的不断增加,可有效单层石墨烯的大尺寸单晶形成,同时保持单晶的快速生长,实现大尺寸高质量的连续石墨烯薄膜。

Description

一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯制备技术领域,涉及一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯作为一种半导体二维材料,在诸多领域都具有很大的应用潜力。大面积石墨烯生长一般采用过渡金属作为催化剂,铜镍由于价格原因成为最常用的衬底。碳原子在铜衬底中的溶解度较小,催化产生的碳原子在铜表面富集成核,因此铜衬底上生长石墨烯的开始阶段,会形成大量成核点,使得生长得到的石墨烯晶粒较小,薄膜中晶界较多。晶界的存在显著降低了石墨烯薄膜的性能。
镍在高温下有较高的碳溶解度,使用镍衬底生长石墨烯时,在高温过程中,石墨烯的形核点较少,催化产生的碳原子固溶在镍金属中,在降温过程中碳原子会大量析出,不仅形核点增加,而且容易形成多层石墨烯,影响薄膜质量。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法,具有生长速度快,晶粒尺寸大,薄膜质量高的特点。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法,包括以下步骤:
(1)将铜箔进行抛光处理后,进行镍金属沉积覆盖。
(2)将覆盖镍金属的铜箔放入生长腔内抽真空,通入保护气体,保持一定压强条件下,快速升温。
(3)在温度到达生长温度时,通入氢气及甲烷进行石墨烯生长。
衬底铜箔为多晶或单晶铜箔,采用化学抛光处理表面。
镍覆盖层为通过电镀或物理镀膜多晶或单晶金属镍,厚度大于1μm。
升温速率20-100℃/min,以减少升温过程中铜在镍层中的扩散。
升温及生长过程压强控制在0.1-10torr,保护气体为氮气或氩气等惰性气体,流量为10-200sccm。
石墨烯的生长温度在950-1050℃之间,当到达目标温度后立即开始通入甲烷氢气等工艺气体进行石墨烯生长,氢气流量为10-200sccm,甲烷流量为0.1-40sccm,生长时间为30-120min。
生长过程中衬底表面为富镍层,整个生长过程中保持镍层中铜含量成纵向梯度分布,避免形成均一组份的铜镍合金。
在生长过程中,镍金属中的铜元素含量会不断升高,降低了碳元素在衬底中的固溶度,进而在衬底表面析出,实现石墨烯的快速生长。
与现有技术相比,本发明的优点是:
采用覆盖镍的铜箔作为生长衬底,生长初期有效减小石墨烯的形核率,随着衬底表面铜含量增加,形核点快速生长大尺寸单晶石墨烯,最终得到高质量的石墨烯薄膜。在整个生长过程中保持铜元素在镍覆盖层中的梯度分布,实现了大尺寸石墨烯晶粒的快速成膜。
附图说明
图1为生长前衬底的结构示意图。
图2为生长过程示意图
图3为生长结束后衬底与石墨烯的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。
一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯的制备方法,包括以下步骤:
(1)采用多晶或单晶铜箔衬底铜箔1,采用化学抛光处理表面后,进行镍金属沉积覆盖,如图1所示,其中镍覆盖层2为通过电镀或物理镀膜多晶或单晶金属镍,厚度大于1μm。
(2)如图2所示,将覆盖镍金属的铜箔5放入生长腔内抽真空,通入氮气或氩气等惰性气体为保护气体,流量为10-200sccm,压强控制在0.1-10torr,接通加热丝6,快速升温,升温速率应大于20℃/min,以减少升温过程中铜在镍层中的扩散。
(3)在温度到达生长温度时,立即通入氢气3及甲烷4等工艺气体进行石墨烯生长,氢气流量为10-200sccm,甲烷流量为0.1-40sccm,生长时间为30-120min。
在生长过程中,衬底表面为富镍层,整个生长过程中保持镍层中铜含量成纵向梯度分布,以避免形成均一组份的铜镍合金。
在生长过程中,镍金属中的铜元素含量会不断升高,降低了碳元素在衬底中的固溶度,进而在衬底表面析出,实现石墨烯的快速生长。
最终得到的产品如图3所示,石墨烯7覆盖于衬底表面,衬底上部为富镍层,下部为富铜层,铜含量成纵向梯度分布,整个过程未形成均一组份的铜镍合金。
在本发明的一个具体实施例中,首先将尺寸为30cm×30cm,厚度为25μm的多晶铜箔进行电化学抛光,抛光电流为2A,时间为80min。抛光液成分为2L水,1L酒精,1L磷酸,200ml异丙醇,20g尿素。
将抛光后的铜箔用去离子水清洗,随后将铜箔置于阴极进行电镀镍沉积,阳极为镍金属板,电镀液配比为3L水,840gNiSO4·6H2O,24g NiCl2·6H2O,12g NaF,90g H3BO3,电镀电流为0.5A,电镀时间为30min。镍沉积厚度在20μm左右。
将镀镍后的铜衬底用去离子水清洗,并用氮气将表面吹干。其结构如图1所示。
将覆盖镍金属的铜箔放入生长腔内抽真空至0.1torr,通入200sccm流量Ar,控制压强为1torr开始升温,速率为25℃/min。
当温度升至1050℃时,通入200sccm H2,1sccm CH4,压强仍然维持1torr,开始石墨烯生长。整个生长过程维持温度和压力不变。
石墨烯生长时间为120min,生长结束后停止通入H2和CH4,同时通入400sccm Ar,维持压力不变,快速降至室温。
按照上述方案,成功制备出单晶尺寸在1mm,整体尺寸为30*30cm的大面积高质量石墨烯薄膜。

Claims (5)

1.一种基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将铜箔进行抛光处理后,进行镍金属沉积覆盖;
(2)将覆盖镍金属的铜箔放入生长腔内抽真空,通入保护气体,保持一定压强条件下,快速升温,所述的升温速率为20-100℃/min,以减少升温过程中铜在镍层中的扩散;
(3)在温度到达生长温度时,立即通入氢气及甲烷进行石墨烯生长;
生长过程中,衬底表面为富镍层,整个生长过程中保持镍层中铜组份呈纵向梯度分布,避免形成均一组份的铜镍合金;
生长过程中,镍金属中的铜元素不断升高,降低了碳元素在衬底中的固溶度,进而在衬底表面析出,实现石墨烯的快速生长。
2.根据权利要求1所述基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法,其特征在于,所述的铜箔为多晶或单晶铜箔,并进行化学抛光处理。
3.根据权利要求1所述基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法,其特征在于,所述的镍层为通过电镀或物理镀膜沉积的单晶或多晶金属镍,厚度大于1μm。
4.根据权利要求1所述基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法,其特征在于,所述的压强为0.1-10torr,保护气体为氮气或氩气,流量为10-200sccm。
5.根据权利要求1所述基于自限制形核生长的大尺寸高质量石墨烯制备方法,其特征在于,所述的生长温度在950-1050℃之间,在到达温度后立即开始通入氢气及甲烷,进行石墨烯生长,氢气流量为10-200sccm,甲烷流量为0.1-40sccm,生长时间为30-120min。
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