CN108892132A - 制备石墨烯的辅助装置、石墨烯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于半导体技术领域，提供了一种制备石墨烯的辅助装置、石墨烯及其制备方法，该方法包括：在衬底上表面放置制备石墨烯的辅助装置，并将所述衬底放置于化学气相沉积设备的腔体中，其中，所述辅助装置包括支撑体；缓冲层，设在所述支撑体的上表面，所述缓冲层设有若干个贯穿所述缓冲层的孔洞，所述支撑体与所述衬底接触；将所述腔体的温度加热至预设温度，并排出所述腔体内的空气；在所述腔体中通入碳源，并将所述腔体的温度维持在所述预设温度；经预设时间后，停止通入碳源，在所述腔体中通入保护气体，并降低所述腔体的温度。本发明能够降低石墨烯形核密度，且不会降低石墨烯的生长速度。

Description

制备石墨烯的辅助装置、石墨烯及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种制备石墨烯的辅助装置、石墨烯及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。由于独特的二维结构特征和极佳的晶体学质量，石墨烯的载流子表现出类似于光子的行为。此外，石墨烯还具有优异的力学、电学、热学、光学等特性，有望在纳米电子器件、透明导电薄膜、复合材料、催化材料、场发射材料、太阳能电池电极、光电转换器等领域获得广泛应用。
化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition，CVD)是制备石墨烯的常用方法，具有操作简单、制备出的石墨烯质量高、尺寸大等优点。石墨烯薄膜通常是由多个单晶晶粒组成的多晶薄膜，使用CVD法生长大尺寸石墨烯单晶晶粒时，需要降低石墨烯的形核密度，常用的方法是降低碳源的浓度，但是，这种方法会降低石墨烯的生长速度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种制备石墨烯的辅助装置、石墨烯及其制备方法，以解决现有技术中降低石墨烯的形核密度会导致石墨烯的生长速度降低的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种制备石墨烯的辅助装置，包括：支撑体；缓冲层，设在所述支撑体的上表面，所述缓冲层设有若干个贯穿所述缓冲层的孔洞。
可选的，所述辅助装置的材料为泡沫镍。
可选的，所述支撑体的高度为1毫米至10毫米。
可选的，所述缓冲层的尺寸大于或等于制备石墨烯的衬底的尺寸。
可选的，所述支撑体的数量为2个，分别位于所述缓冲层的两侧。
本发明实施例的第二方面提供了一种石墨烯的制备方法，包括：
在衬底上表面放置如本发明实施例第一方面所述的制备石墨烯的辅助装置，并将所述衬底放置于化学气相沉积设备的腔体中，其中，所述辅助装置的支撑体与所述衬底接触；
将所述腔体的温度加热至预设温度，并排出所述腔体内的空气；
在所述腔体中通入碳源，并将所述腔体的温度维持在所述预设温度；
经预设时间后，停止通入碳源，在所述腔体中通入保护气体，并降低所述腔体的温度。
可选的，所述衬底为铜衬底；
还包括：
在所述衬底的表面生长氧化铜薄膜。
可选的，所述排出所述腔体内的空气，包括：
在所述腔体中通入氩气、氢气、氦气和氮气中的一种或多种的组合。
可选的，所述碳源为甲烷；
所述在在所述腔体中通入碳源，包括：
在所述腔体中通入载气和甲烷，其中，所述载气为氩气、氢气、氦气和氮气中的一种或多种的组合；
所述保护气体为氩气、氢气和氦气中的一种或多种的组合。
本发明实施例的第三方面提供了一种石墨烯，通过如本发明实施例第二方面所述的石墨烯的制备方法制备得到。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例中的制备石墨烯的辅助装置通过设置支撑体和支撑体上表面的缓冲层，并在缓冲层中设置若干个贯穿缓冲层的孔洞，在通过CVD法制备石墨烯时，将该装置放置在衬底的上表面，碳源经过缓冲层缓冲，并通过孔洞到达衬底表面，在衬底表面形成形核层，通过缓冲层的缓冲作用，能够降低碳源到达衬底表面的速度和碳源在衬底表面的过饱和度，从而降低石墨烯的形核密度，制备出大尺寸石墨烯单晶晶粒，且不会降低石墨烯的生长速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的制备石墨烯的辅助装置的剖视图；
图2是本发明实施例一提供的制备石墨烯的辅助装置的顶视图；
图3是本发明实施例一提供的制备石墨烯的示意图；
图4是本发明实施例二提供的石墨烯的制备方法的实现流程示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
请参考图1和图2，图1和图2是本发明实施例一提供的石墨烯的辅助装置的结构示意图，该装置包括：支撑体11和缓冲层12，缓冲层12设在支撑体11的上表面，缓冲层12设有一个或多个贯穿缓冲层12的孔洞13。
在本发明实施例中，如图3所示，在通过CVD法制备石墨烯时，将该装置放置在衬底20的上表面，碳源经过缓冲层12缓冲，并通过孔洞13到达衬底20表面，在衬底20表面形成形核层，通过缓冲层的缓冲作用，能够降低碳源到达衬底20表面的速度和碳源在衬底20表面的过饱和度，从而降低石墨烯的形核密度，，制备出大尺寸石墨烯单晶晶粒，且不会降低石墨烯的生长速度。
可选的，所述辅助装置的材料为泡沫镍。
在本发明实施例中，在石墨烯生长过程中，泡沫镍中的少量镍原子会以游离的形式挥发出来，到达衬底20表面参与石墨烯的生长，起到催化的作用，能够提高石墨烯的生长速度。并且，泡沫镍具有价格低廉，易加工的优点，容易制作成上述辅助装置。
可选的，所述支撑体11的高度为1毫米至10毫米。
在本发明实施例中，通过调节支撑体11的高度调节碳源到达衬底表面的速度。支撑体11的高度小于1毫米时，碳源气体的流速太低，导致生长石墨烯的速度太低，难以生长石墨烯，支撑体11的高度大于10毫米时，会导致碳源气体的流速太大，辅助装置起不到控制流速的作用，难以降低形核密度。
可选的，所述缓冲层12的尺寸大于或等于制备石墨烯的衬底的尺寸。
在本发明实施中，使缓冲层12的尺寸与衬底20的尺寸相同，或大于衬底20的尺寸，保证在制备石墨烯时，衬底20表面各个位置均能够形成较小的形核密度。
可选的，所述支撑体11的数量为2个，分别位于所述缓冲层12的两侧。
在本发明实施例中，将支撑体11设置在缓冲层12的两侧，在将该装置放置在制备石墨烯的衬底上时，使支撑体11位于衬底12的边缘，不会影响石墨烯的生长，并且2个支撑体11能起到稳固的支撑作用。
本发明实施例中的制备石墨烯的辅助装置通过设置支撑体11和支撑体11上表面的缓冲层12，并在缓冲层12中设置若干个贯穿缓冲层的孔洞13，在通过CVD法制备石墨烯时，将该装置放置在衬底20的上表面，碳源经过缓冲层12缓冲，并通过孔洞13到达衬底20表面，在衬底20表面形成形核层，通过缓冲层的缓冲作用，能够降低碳源到达衬底20表面的速度和碳源在衬底20表面的过饱和度，从而降低石墨烯的形核密度，制备出大尺寸石墨烯单晶晶粒，且不会降低石墨烯的生长速度。
实施例二
请参考图4，图4是本发明实施例二提供的石墨烯的制备方法的实现流程示意图，该方法包括以下步骤：
步骤S101，在衬底上表面放置如本发明实施例一所述的制备石墨烯的辅助装置，并将所述衬底放置于化学气相沉积设备的腔体中，其中，所述辅助装置的支撑体与所述衬底接触。
在本发明实施例中，如图3所示，在衬底20上表面放置上述制备石墨烯的辅助装置，并将衬底放置在CVD设备腔体中。
可选的，衬底为铜衬底。步骤S101之前，还包括：在所述衬底的表面生长氧化铜薄膜。
在本发明实施例中，氧化铜薄膜作为钝化层，通过氧化铜中氧元素的作用，能够进一步降低石墨烯的形核密度。一种实现方式中，通过热氧化法在铜衬底的表面生长氧化铜薄膜，具体的，将铜衬底在空气中加热至150℃至300℃，并维持10分钟至30分钟，使衬底表面的铜氧化生成氧化铜薄膜。本实施例中的加热温度和时间根据具体工艺进行设定，本实施例不做具体限定。
步骤S102，将所述腔体的温度加热至预设温度，并排出所述腔体内的空气。
在本发明实施例中，一种实现方式中，将腔体的温度加热至900℃至1084℃，并在腔体中通入氩气、氢气、氦气和氮气中的一种或多种组合，排出腔体中的空气。在本发明实施例中，腔体的温度、压强根据具体工艺进行设定，本实施例不做具体限定。
步骤S103，在所述腔体中通入碳源，并将所述腔体的温度维持在所述预设温度。
在本发明实施例中，碳源为甲烷。具体的，在腔体中通入载气和甲烷的混合气体，其中，载气为氩气、氢气、氦气和氮气中的一种或多种组合。例如，在腔体中通入氩气、氢气和甲烷的混合气体，其中，氩气的流量为100sccm至3000sccm，氢气的流量为1sccm至1000sccm，甲烷的流量为0.01sccm至100sccm。
步骤S104，经预设时间后，停止通入碳源，在所述腔体中通入保护气体，并降低所述腔体的温度。
在本发明实施例中，经过预设时间后，停止通入碳源，在腔体中通入氩气、氢气、氦气和氮气中的一种或多种的组合，作为保护气体，并降低腔体的温度，降温速度控制在1℃/min至500℃/min，完成石墨烯的生长。
在本发明实施例中，在通过CVD法制备石墨烯时，将制备石墨烯的辅助装置在衬底的上表面，碳源经过缓冲层缓冲，并通过孔洞到达衬底表面，在衬底表面形成形核层，通过缓冲层的缓冲作用，能够降低碳源到达衬底表面的速度和碳源在衬底表面的过饱和度，从而降低石墨烯的形核密度，制备出大尺寸石墨烯单晶晶粒，且不会降低石墨烯的生长速度。
实施例三
本发明实施例三提供一种石墨烯的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将铜衬底在空气中加热至200℃，并维持20min。
步骤2、在铜衬底上表面放置如本发明实施例一中的制备石墨烯的辅助装置，其中，该辅助装置中的支撑体的高度为4毫米，并将铜衬底放置于CVD设备的腔体中。
步骤3、将腔体的温度升高至1030℃，压力控制在25mbar，并在腔体中通入氩气，氩气流量为500sccm，维持10min，排出腔体中的空气。
步骤4、在腔体中通入氢气和甲烷，其中，氢气的流量为30sccm，甲烷的流量为2sccm，并将腔体的温度设置在1030℃。
步骤5、60min后，停止通入氢气和甲烷，在腔体中通入氩气，其中，氩气的流量为2000sccm，并以10℃/min的速度进行降温，完成石墨烯的生长。
在本发明实施例中，在通过CVD法制备石墨烯时，将制备石墨烯的辅助装置在衬底的上表面，碳源经过缓冲层缓冲，并通过孔洞到达衬底表面，在衬底表面形成形核层，通过缓冲层的缓冲作用，能够降低碳源到达衬底表面的速度和碳源在衬底表面的过饱和度，从而降低石墨烯的形核密度，制备出大尺寸石墨烯单晶晶粒，且不会降低石墨烯的生长速度。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备石墨烯的辅助装置，其特征在于，包括：支撑体；缓冲层，设在所述支撑体的上表面，所述缓冲层设有若干个贯穿所述缓冲层的孔洞。
2.如权利要求1所述的制备石墨烯的辅助装置，其特征在于，所述辅助装置的材料为泡沫镍。
3.如权利要求1所述的制备石墨烯的辅助装置，其特征在于，所述支撑体的高度为1毫米至10毫米。
4.如权利要求1所述的制备石墨烯的辅助装置，其特征在于，所述缓冲层的尺寸大于或等于制备石墨烯的衬底的尺寸。
5.如权利要求1至4任一项所述的制备石墨烯的辅助装置，其特征在于，所述支撑体的数量为2个，分别位于所述缓冲层的两侧。
6.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上表面放置如权利要求1至5任一项所述的制备石墨烯的辅助装置，并将所述衬底放置于化学气相沉积设备的腔体中，其中，所述辅助装置的支撑体与所述衬底接触；
将所述腔体的温度加热至预设温度，并排出所述腔体内的空气；
在所述腔体中通入碳源，并将所述腔体的温度维持在所述预设温度；
经预设时间后，停止通入碳源，在所述腔体中通入保护气体，并降低所述腔体的温度。
7.如权利要求6所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述衬底为铜衬底；
还包括：
在所述衬底的表面生长氧化铜薄膜。
8.如权利要求6所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述排出所述腔体内的空气，包括：
在所述腔体中通入氩气、氢气、氦气和氮气中的一种或多种的组合。
9.如权利要求6至8任一项所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述碳源为甲烷；
所述在在所述腔体中通入碳源，包括：
在所述腔体中通入载气和甲烷，其中，所述载气为氩气、氢气、氦气和氮气中的一种或多种的组合；
所述保护气体为氩气、氢气和氦气中的一种或多种的组合。
10.一种石墨烯，其特征在于，通过如权利要求6至9任一项所述的石墨烯的制备方法制备得到。
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