CN108358189B - 一种制备石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备石墨烯的方法，具体步骤为：(1)将一定碳浓度的镍源沉积到衬底表面；(2)对得到的掺碳镍膜采用电子束热处理，退火温度为900～1400℃，退火时间为1～60s，之后取出样品即可在镍膜表面得到石墨烯。本发明可制备出单层、双层或少层的石墨烯。

Description

一种制备石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是碳元素的一种同素异形体，其中的碳原子与周围三个碳原子以sp2杂化轨道的形式存在，这种结合使得石墨烯具有超高的导热性能和力学性能。常温下石墨烯的弹性模量和热导率可以达到1TPa和5000W/m·K。此外，石墨烯中每个碳原子都有一个未成键的π电子，这些电子在垂直于石墨烯平面的方向形成离域大π键，电子可以在其中实现自由移动，因此石墨烯具有很高的电子迁移率，室温下石墨烯的电子迁移率可以达到15000cm2/V·s。超高的载流子迁移率使得石墨烯有望代替硅成为下一代集成电路的材料，但由于石墨烯的制备工艺较为复杂，严重阻碍了其在电子器件上的应用。迄今为止，已经发展的几种主流的制备方法有机械剥离法、液相剥离法、石墨氧化物还原法、有机合成法、化学气相沉积法和偏析生长法等。这些方法有一个共同的特点是：制备过程都比较复杂，并且所需时间短则1-2个小时，长则需要几天的时间，这使得石墨烯在应用方面的优势大打折扣。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种石墨烯的制备方法。本发明采用电子束退火掺碳镍膜的方法来制备石墨烯。
本发明方法的步骤如下：
1)将装有纯度为99.99％镍颗粒的石墨坩埚放入真空镀膜机的样品室中；
2)将尺寸为5mm×5mm的Si衬底放入真空镀膜样品室机中，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到1.0×10-4Pa以下时，继续下一步；
3)选择电子束加速电压10-20kV，电子束束流100-150mA，加热Ni颗粒，使其蒸发并在Si衬底表面沉积厚度为30-500nm的镍膜；
4)打开样品室，将步骤3)沉积的镍膜放入电子束加工设备的样品室中，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到5.0×10-3Pa以下时，选择电子束加速电压10-20kV、电子束束流5-10mA和电子束束斑直径5-20mm，使待退火镍膜完全被束斑覆盖，启动电子束退火，待镍膜表面温度达到900-1400℃时，持续保温1-60s。关闭电子束束流，打开样品室，即可得到石墨烯。
所述的镍膜中的碳原子来自石墨坩埚，不需另加碳源。
本发明制备的石墨烯为单层、双层或少层石墨，所述的少层石墨烯为4-10层石墨烯。
本发明具有以下特点：
1)镍膜中碳的含量不必精确控制，只需将镍颗粒放入坩埚中即可得到掺碳的镍膜；
2)电子束升降温速率快，可以瞬间达到所需的温度区间，有效避免镍膜在其他温区的停留时间，得到的石墨烯相更纯；
3)极短的退火时间可以提高石墨烯的制备效率；
4)可根据不同的退火温度制备层数不同的石墨烯。
附图说明
图1为本发明实施例提供的单层石墨烯SEM图片；
图2为本发明实施例提供的双层石墨烯SEM图片；
图3为本发明实施例提供的少层石墨烯SEM图片；
图4为本发明实施例的拉曼结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的镍膜制备在ZZXS-500电子束镀膜机内完成，电子束退火在自制EBW-3H型电子束焊接机上进行，衬底为Si，尺寸为5mm×5mm。
1.制备镍膜：
1)将装有纯度为99.99％镍颗粒的石墨坩埚放入电子束镀膜机中；
2)将Si衬底固定在电子束镀膜机的样品台上；
3)关闭反应室并对反应室抽真空；
4)待反应室真空度度达到1×10-4Pa后，选择电子束加速电压10kV，电子束束流100mA，打开电子枪电源，沉积镍膜30nm；
2.将步骤1得到的镍膜取出，放入电子束焊接机样品室中电子束正下方的工件台上，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到5.0×10-3Pa以下时，继续下一步；
3.设定电子束加速电压为20kV、电子束束流5mA，束斑直径5mm；
4.按照以上选定的退火条件，启动电子束退火，待样品温度达到1400℃时，持续保温60s，然后关闭电子束束流，关闭高压。
本实施例样品表面形貌如图1所示。图2为该样品的拉曼结果，表明由该制备方法得到的石墨烯为单层石墨烯。
实施例2
本实施例的镍膜制备在ZZXS-500电子束镀膜机内完成，电子束退火在自制EBW-3H型电子束焊接机上进行，衬底为Si，尺寸为5mm×5mm。
1.制备镍膜：
1)将装有纯度为99.99％镍颗粒的石墨坩埚放入电子束镀膜机中；
2)将Si衬底固定在镀膜机的样品工件台上；
3)关闭反应室并对反应室抽真空；
4)待反应室真空度度达到1×10-4Pa后，选择电子束加速电压16kV，电子束束流140mA，打开电子枪电源，沉积镍膜150nm；
2.将步骤1中得到的镍膜取出，并放入到电子束焊接机样品室中电子束正下方的工件台上，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到5.0×10-3Pa以下时，继续下一步；
3.设定电子束加速电压为20kV、电子束束流8mA，束斑直径15mm；
4.按照以上选定的退火条件，启动电子束退火，待样品温度达到1300℃时，持续保温20s，然后关闭电子束束流，关闭高压。
图2为本实施例样品的拉曼结果，表明由该制备方法得到的石墨烯为单层石墨烯。
实施例3
本实施例的镍膜制备在ZZXS-500电子束镀膜机内完成，电子束退火在自制EBW-3H型电子束焊接机上进行，衬底为Si，尺寸为5mm×5mm。
1.制备镍膜：
1)将装有纯度为99.99％镍颗粒的石墨坩埚放入电子束镀膜机中；
2)将Si衬底固定在镀膜机的样品工件台上；
3)关闭反应室并对反应室抽真空；
4)待反应室真空度度达到1×10-4Pa后，选择电子束加速电压15kV，电子束束流120mA，打开电子枪电源，沉积镍膜300nm；
2.将步骤1中得到的镍膜取出，并放入到电子束焊接机样品室中电子束正下方的工件台上，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到5.0×10-3Pa以下时，继续下一步；
3.设定电子束加速电压为15kV、电子束束流6mA，束斑直径10mm；
4.按照以上选定的退火条件，启动电子束退火，待样品温度达到1200℃时，持续保温10s，然后关闭电子束束流，关闭高压。
图2为本实施例样品的拉曼结果，表明由该制备方法得到的石墨烯为单层石墨烯。
实施例4
本实施例的镍膜制备在ZZXS-500电子束镀膜机内完成，电子束退火在自制EBW-3H型电子束焊接机上进行，衬底为Si，尺寸为5mm×5mm。
1.制备镍膜：
1)将装有纯度为99.99％镍颗粒的石墨坩埚放入电子束镀膜机中；
2)将Si衬底固定在镀膜机的样品工件台上；
3)关闭反应室并对反应室抽真空；
4)待反应室真空度度达到1×10-4Pa后，选择电子束加速电压10kV，电子束束流130mA，打开电子枪电源，沉积镍膜100nm；
2.将步骤1中得到的镍膜取出，并放入到电子束焊接机样品室中电子束正下方的工件台上，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到5.0×10-3Pa以下时，继续下一步；
3.设定电子束加速电压为10kV、电子束束流10mA，束斑直径5mm；
4.按照以上选定的退火条件，启动电子束退火，待样品温度达到1100℃时，持续保温30s，然后关闭电子束束流，关闭高压。
本实施例样品的表面形貌如图2所示。图4为该样品的拉曼结果，表明由该制备方法得到的石墨烯为双层石墨烯。
实施例5
本实施例的镍膜制备在ZZXS-500电子束镀膜机内完成，电子束退火在自制EBW-3H型电子束焊接机上进行，衬底为Si，尺寸为5mm×5mm。
1.制备镍膜：
1)将装有纯度为99.99％镍颗粒的石墨坩埚放入电子束镀膜机中；
2)将Si衬底固定在镀膜机的样品工件台上；
3)关闭反应室并对反应室抽真空；
2.待反应室真空度度达到1×10-4Pa后，选择电子束加速电压20kV，电子束束流150mA，打开电子枪电源，沉积镍膜500nm；将步骤1中得到的镍膜取出，并放入到电子束焊接机样品室中电子束正下方的工件台上，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到5.0×10-3Pa以下时，继续下一步；
3.设定电子束加速电压为20kV、电子束束流20mA，束斑直径20mm；
4.按照以上选定的退火条件，启动电子束退火，待样品温度达到900℃时，持续保温1s，然后关闭电子束束流，关闭高压。
本实施例样品的表面形貌如图3所示。图4为该样品的拉曼结果，表明由该制备方法得到的石墨烯为少层石墨烯。

Claims (2)

1.一种制备石墨烯的方法，其特征在于：所述的制备步骤为：
1)将纯度为99.99％的镍颗粒装入石墨坩埚中，并将石墨坩埚放入真空镀膜机样品室；
2)将尺寸为5mm×5mm的Si衬底放入真空镀膜机样品室中，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到1.0×10-4Pa以下时，继续下一步；
3)选择电子束加速电压10-20kV，电子束束流100-150mA，加热镍颗粒，使其蒸发并在Si衬底表面沉积厚度为30-500nm的镍膜；
4)打开样品室，将步骤3)沉积的镍膜放入电子束加工设备的样品室中，关闭样品室并启动真空泵，当样品室真空达到5.0×10-3Pa以下时，选择电子束加速电压10-20kV、电子束束流5-10mA和电子束束斑直径5-20mm，使待退火的镍膜完全被束斑覆盖，启动电子束退火，待镍膜表面温度达到900-1400℃时，持续保温1-60s；关闭电子束束流，打开样品室，即得到石墨烯。
2.按照权利要求1所述的制备石墨烯的方法，其特征在于：所制备的石墨烯为单层、双层或少层石墨烯。
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