CN108190872A - 一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法 - Google Patents

一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法 Download PDF

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袁亚文
王�华
郑逸群
刘靓蕾
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Abstract

本发明涉及一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，包括步骤如下：将固体碳源粉末均匀的铺设在绝缘基底表面，以包含氢气的气体为载流气体，于500～800℃化学气相沉积法生长0.5～3h，得到石墨烯。本发明方法制备的石墨烯具有较好的结晶性，不易发生团聚和堆叠，无高分子和表面活性剂残余，具有更好的电子传导效率和传感性能。

Description

一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的 方法
技术领域
本发明涉及一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，属于石墨烯生长技术领域。
背景技术
化学气相沉积方法合成石墨烯目前主要是利用甲烷、乙炔、乙烯等含碳原子的气体碳源来通过高温裂解(温度高于1000℃)，并在具有特殊晶格结构(一般为与石墨烯晶格相匹配的铜或者镍基片)上沉积，冷却过程中，碳原子在基底上晶格匹配和组装，形成石墨烯结构。化学气相沉积方法合成的石墨烯具有碳原子层数少(单层或寡层)、透光性好、导电性好、机械性好、没有其他含氧官能团等优势，主要应用在光电器件、传感器、功能性玻璃等领域。
这种方法目前在工业上已经可以连续、大面积生产石墨烯，但是存在以下问题：
1.生长温度过高
这种方法生长温度高于1000℃，在实际生产过程中会消耗大量的热能等能源，并且接近金属基底的熔点，会有大量的金属蒸发到生长的设备上，增加损耗。
2.基底采用金属基底，需要后期转移
利用化学气相沉积方法在金属基底上生长的石墨烯必须经过复杂的转移过程才可以实现转移到目标基底上。即：必须辅助高分子材料或者电化学剥离等方法使之从生长基底上剥离下来。因为高分子的残余会对石墨烯的电子传导、机械性能、传感性能等产生较大的干扰和影响，不同的剥离方法也会对石墨烯的结构造成不可弥补的损害。如果直接刻蚀生长基底，不采用辅助转移方法，单层或者寡层石墨烯在刻蚀液中无法被看到，影响下一步直接利用，多层石墨烯的直接刻蚀也会导致石墨烯的卷曲，破坏化学气相沉积方法制备石墨烯的优势和结构特性。
关于石墨烯的生长也有诸多专利文件进行报道，比如：中国专利文件CN103140439A公开了用于在低温形成石墨烯的方法，涉及用于直接转移使用相同方法的石墨烯的方法，以及涉及石墨烯片材。用于在低温形成石墨烯的所述方法包括供给含有碳源的气体至在衬底上形成的用于生长石墨烯的金属氧化剂层，并通过电感耦合等离子体化学气相沉积(ICP-CVD)方式在500℃或更低的低温形成石墨烯。尽管，该方法可以在较低的温度下进行生长石墨烯，但是仍然需要形成一层金属层再进行石墨烯的生长，仍然存在需要后期转移的缺陷；而且使用的碳源仍然是气体碳源，均为可燃性气体，存在一定的危险性，再例如：中国专利文件CN107012443A公开了一种绝缘衬底图形化直接生长石墨烯的工艺方法，绝缘衬底直接生长石墨烯和在此基础上进行的石墨烯图形化生长；通过在绝缘衬底上首先镀上一层铜作为催化剂，然后在铜的催化下石墨烯会生长在镀铜的表面，再保持高温退火使铜挥发，铜挥发后，石墨烯会落在绝缘衬底表面，达到绝缘衬底直接生长石墨烯的目的；之后，在直接生长的基础上，通过光刻工艺使镀的铜具有一定的图形，与之相对应的，在铜上生长出的石墨烯也具有了相同的图形，达到绝缘衬底图形化直接生长石墨烯的目的。然而该方法仍然使用气体碳源，而且仍然需要一层金属催化剂。虽然不需要转移，但是需要较高的温度将金属层挥发掉，同样存在能耗高的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足和问题，尤其是针对石墨烯的复杂转移过程和生长温度过高的问题。本发明利用含碳固体作为碳源，利用化学气相沉积法，降低生长温度，在绝缘基底上直接形成高质量石墨烯，解决了石墨烯的复杂转移过程和生长温度过高这两个问题。
本发明方法使得石墨烯在绝缘基底上低温生长，不涉及高分子辅助等复杂的石墨烯转移过程，而且生长得到的石墨烯层数少，结晶程度高。
本发明的技术方案如下：
一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，包括步骤如下：
将固体碳源粉末均匀的铺设在绝缘基底表面，以包含氢气的气体为载流气体，于500～800℃化学气相沉积法生长0.5～3h，得到石墨烯。
根据本发明，优选的，所述的固体碳源为聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)或聚氯乙烯(PVC；
优选的，固体碳源粉末的粒径为1μm～100μm。
根据本发明，优选的，所述的载流气体为氢气，或者氢气和氩气的混合气体；
当载流气体为氢气时，载流气体流量为10～100sccm；
当载流气体为氢气和氩气的混合气体时，氢气占混合气体的体积百分比为10～80％，载流气体流量为10～100sccm。
根据本发明，优选的，所述的绝缘沉底为石英玻璃、蓝宝石或SiO2/Si片。
根据本发明，优选的，化学气相沉积过程中生长压力为10～100Pa。
本发明的有益效果如下：
1、本发明方法在较低温度下即可生长石墨烯，不仅能耗低，而且不采用气体碳源，安全性高。
2、本发明直接在绝缘沉底上生长石墨烯，省略了后期转移的过程。
3、本发明方法制备的石墨烯具有较好的结晶性，不易发生团聚和堆叠，无高分子和表面活性剂残余，具有更好的电子传导效率和传感性能。实验证实将石英玻璃上生长的石墨烯材料直接应用于电化学传感过氧化氢，具有较快的响应和较低的检测限，优于石墨烯粉末材料和其他方法制备的复合材料的性能。在物质的电化学检测，如葡萄糖、多巴胺、抗坏血酸等生物成分或者亚硝酸根离子等无机盐离子，或者透光性石英玻璃的应用，或者光电设备的构建具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的石墨烯材料的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，包括步骤如下：
采用石英玻璃作为绝缘基底，利用等离子体清洗机清洗(CF4/O2＝1：2)40分钟，清洗功率为50W；然后用乙醇、丙酮分别超声清洗，得到洁净的绝缘基底；
采用粒径为10μm的聚甲基丙烯酸酯(PMMA)粉末作为固体碳源，利用低压化学气相沉积法(压力10Pa)，以氢气为载气，流量为30sccm，500℃生长3h，得到石墨烯材料。
本实施例制得的石墨烯材料测试拉曼光谱图，如图1所示。由图1可知，本实施例制得的石墨烯具有较高的质量和较少的层数。
实施例2
一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，包括步骤如下：
采用蓝宝石作为绝缘基底，利用等离子体清洗机清洗(CF4/O2＝1：2)30分钟，清洗功率为100W；然后用乙醇、丙酮分别超声清洗，得到洁净的绝缘基底；
采用粒径为30μm的聚甲基丙烯酸酯(PMMA)粉末作为固体碳源，利用低压化学气相沉积法(压力20Pa)，以氢气和氩气的混合气体作为载流气体，氢气占混合气体的体积百分比为50％，载流气体流量为50sccm；600℃生长2h，得到石墨烯材料。
实施例3
一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，包括步骤如下：
采用SiO2/Si片作为绝缘基底，利用等离子体清洗机清洗(CF4/O2＝1：2)60分钟，清洗功率为30W；然后用乙醇、丙酮分别超声清洗，得到洁净的绝缘基底；
采用粒径为50μm的聚甲基丙烯酸酯(PMMA)粉末作为固体碳源，利用低压化学气相沉积法(压力30Pa)，以氢气和氩气的混合气体作为载流气体，氢气占混合气体的体积百分比为70％，载流气体流量为80sccm，800℃生长0.5h，得到石墨烯材料。
对比例1
如实施例2所述，不同的是：
氢气占混合气体的体积百分比为10％，载流气体流量为50sccm。
氢气含量过低，会导致生长石墨烯的质量下降，石墨烯岛面积减小，非晶碳的含量增加。
对比例2
如实施例1所述，不同的是：
采用甲烷作为碳源。
在实施例1的温度下，气体碳源不能发生热裂解，生成碳自由基量少，无法沉积在绝缘基底上形成石墨烯。实验结果也证实了，石英玻璃上有大量的无定型碳堆积，无法形成高质量石墨烯。

Claims (7)

1.一种利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，包括步骤如下：
将固体碳源粉末均匀的铺设在绝缘基底表面，以包含氢气的气体为载流气体，于500～800℃化学气相沉积法生长0.5～3h，得到石墨烯。
2.根据权利要求1所述的利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述的固体碳源为聚甲基丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯或聚氯乙烯。
3.根据权利要求1所述的利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述的固体碳源粉末的粒径为1μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述的载流气体为氢气，或者氢气和氩气的混合气体。
5.根据权利要求4所述的利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，当载流气体为氢气时，载流气体流量为10～100sccm；
当载流气体为氢气和氩气的混合气体时，氢气占混合气体的体积百分比为10～80％，载流气体流量为10～100sccm。
6.根据权利要求1所述的利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述的绝缘沉底为石英玻璃、蓝宝石或SiO2/Si片。
7.根据权利要求1所述的利用固态碳源在绝缘基底上化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，化学气相沉积过程中生长压力为10～100Pa。
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