CN109019569A - 高质量石墨烯／二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法 - Google Patents

高质量石墨烯／二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新材料领域，具体为一种高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法。采用铜箔/金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在高温下率先通过CVD技术催化裂解碳源生长出石墨烯，然后升高温度进一步在石墨烯下面生长出二维过渡金属碳化物晶体，或者在高于铜熔点的温度下直接生长石墨烯和二维过渡金属碳化物，从而制备出石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构，后续刻蚀掉铜基底得到石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构。本发明为高质量石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构在催化、激光探测、透明导电薄膜、热管理、二维超导及高透明约瑟夫森结等领域的研究和应用奠定基础。

Description

高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其 制备方法
技术领域：
本发明涉及石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构新材料及其化学气相沉积(CVD)制备领域，具体为一种具有干净界面、晶体取向一致及强耦合作用的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法，适于大面积、高质量的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备。
背景技术：
石墨烯和其他二维晶体不仅展现出不同于它们对应块体材料的诸多新的物性、超级的性质和有前景的应用，也为通过堆叠的方式创造具有不同寻常的性质、新的物性及对于技术应用领域前所未有的可能性的二维垂直异质结构提供了理想的组元。除了高质量，不同晶体间的协同作用在二维异质结构的性质中也扮演的很重要的角色，而它有很强地依赖于相邻晶体的界面、相对取向和相互作用。
超导体-石墨烯异质结构或杂化结构已经为探索各种新奇的量子现象和独特的器件提供了一个有意义的平台，如：双极超流、弹道近邻超导电性、量子超导绝缘相变和全带间安德烈夫反射。最近，具有高临界长的超导体与石墨烯的杂化体系从实验上得以实现，量子霍尔效应和超导电性并存得以证明，这使得在石墨烯体系中获得马约拉纳零模式成为可能。然而，目前，这些异质结构或杂化结构是通过将一种材料沉积或者堆垛到另一种材料上制备的，因此其相邻材料的相对取向具有随机性、界面相互作用弱和界面处不可避免的污染等缺点。
最近，化学气相沉积在直接生长各种二维层状晶体的范德瓦尔斯异质结构，如：graphene/h-BN，h-BN/graphene，MoS2/graphene，MoS2/h-BN，WS2/MoS2和MoS2/WSe2/graphene等上，得到了广泛地发展。相比于堆垛方法，直接生长能够获得具有非常干净的界面的异质结构。此外，在生长过程中范德瓦尔斯作用力使样品有明确的生长择优取向，从而异质结构中相邻的二维晶体是具有一致取向的，如：graphene/h-BN异质结构。然而，大多数的异质结构的取向一致性不是很统一，甚至在某些异质结构中由于大的晶格失配会导致重构。另外，在这些直接生长的范德瓦尔斯异质结构中界面相互作用是很弱的。更重要的是，这些异质结构通常由于生长过程中二维晶体低的催化活性和大量缺项的产生，导致其组分的晶体质量很差。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种具有干净界面、晶体取向一致及强耦合作用的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法，解决目前研究中得到的垂直异质结构中石墨烯质量差、界面污染、界面相互作用弱等问题，为研究石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构本征特性和探索其应用奠定基础。
本发明的技术方案是：
一种高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料，石墨烯为均匀单层石墨烯，拉曼峰G/D＝10～30，尺寸取决于生长过程中所使用的基体尺寸；二维金属碳化物厚度为0.5nm～1000nm，其横向尺寸为50nm～100μm，整个材料成分均一、无缺陷和空位；异质结构界面干净、石墨烯与金属碳化物晶体取向一致并具有很强的耦合作用，即异质结构部分石墨烯内有很强的压应力存在，压应力范围为0.5～5GPa。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，采用上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在600～1083℃的高温下率先通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出石墨烯，然后升高温度至1085～1300℃，进一步在石墨烯下面生长出二维过渡金属碳化物晶体；或者，在1085～1300℃的温度下直接生长石墨烯和二维过渡金属碳化物；从而，制备出石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构，后续刻蚀掉铜基底得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的化学气相沉积生长：以上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在低于铜熔点的高温化学气相沉积过程中，率先在铜基体表面生长石墨烯，然后升高温度至高于铜熔点，金属箔片提供金属原子，铜箔熔化后作为金属原子的扩散通道，控制扩散到铜中的金属原子的数量，进而与液态铜催化裂解碳源形成的碳原子反应，在石墨烯与液态铜界面处形成二维金属碳化物晶体，从而得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料；或者直接在高于铜熔点的温度下，同时生长石墨烯和金属碳化物晶体，同样得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料；
(2)高分子聚合物保护层的涂覆：在石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的表面均匀地涂覆一层高分子聚合物，对其进行保护，以防止其在后续转移过程中发生破坏；
(3)铜基底的刻蚀：用铜的刻蚀液溶除铜基底，得到高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料复合膜；
(4)高分子聚合物保护层的去除：将得到的高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料复合膜放置在目标基体上，用有机溶剂将覆盖在石墨烯表面的高分子聚合物保护膜溶解去除。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，底层采用的金属箔片为钼片、钨片、钽片、钛片、铌片、铬片或钒片，金属箔片的厚度为10μm～1.0mm，铜箔厚度为100nm～100μm，纯度为98wt％～99.9999wt％。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，化学气相沉积反应过程中，碳源为碳氢化合物：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷、乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上；或者，碳源为固体碳源：无定形碳、石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，化学气相沉积反应过程中，载气为氢气或者氢气与惰性气体的混合气体。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，化学气相沉积生长金属碳化物的温度为1085℃～1300℃，生长时间为1秒～600分钟。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，铜的刻蚀液为过硫酸铵水溶液、四氯化锡水溶液或氯化铁水溶液。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，采用高分子聚合物对石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构材料保护，将石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料转移到其他基体上，高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，除去铜基底后，用有机溶剂去除高分子聚合物保护层，采用的有机溶剂为酮类、氯代烃、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明提出一类新型二维晶体垂直异质结构材料——具有干净界面、晶体取向一致及强耦合作用的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构以及CVD法以实现其大面积制备。
2.本发明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构具有很高的结晶质量，很干净的界面，一致的晶体取向，强的界面相互作用，优异的化学和热稳定性，高的可见光透过性，以及优异的电荷传导和热传导能力，还是一种二维超导体。这一系列结构性能特点为石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构在催化、激光探测、透明导电薄膜、热管理、二维超导及高透明约瑟夫森结等领域的研究和应用奠定了基础。
3.本发明提出的CVD方法可在常压下进行，具有操作方便、易于调控和易于大面积制备等特点。
4.本发明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构相对于纯的二维金属碳化物晶体而言，由于石墨烯的存在，更加稳定和易于转移。
附图说明：
图1，CVD法生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的实验装置示意图。图中，1气体入口；2金属基底；21铜箔；22金属箔片；3气体出口；4加热炉。
图2，CVD法生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的流程图。a图为双金属片Cu/Mo基底(Solid Cu/Mo)，b图为1070℃温度下石墨烯在Cu/Mo基底上的生长(Graphene/Solid Cu/Mo)，c图为1090℃(铜熔点以上)温度下，碳化钼在石墨烯与液态铜之间生长(Graphene/2D Mo2C/Liquid Cu/Mo)。每个步骤下面给出了它们对应的光学照片(d)、(e)、(f)。
图3，a图为转移到SiO2/Si基底上的G/Mo2C的光学照片，b-d图为a图中对应的α-Mo2C、石墨烯的G峰、2D峰的拉曼强度面扫，e-h图分别为三角形、六边形、八边形和九边形Mo2C晶体与石墨烯异质结构的明场TEM照片，e-h图中比例尺均为200nm，i-l图分别为对应于e-h图的选区电子衍射花样，可以看出Mo2C与G取向一致，m图为G/Mo2C异质结构的原子结构(俯视图)，n图为异质结构中Mo2C的原子级分辨的HAADF-STEM像。
图4，a图中分别为纯Mo2C(2Dα-Mo2C crystal)、石墨烯(graphene)和异质结构Heterostructure(b图中)的拉曼光谱。b-d图分别为CVD法制备的G/Mo2C异质结构的光学照片和对应的石墨烯的G峰和2D峰的峰位的拉曼面扫，可以看出明显的应变区域，b-d图中的比例尺为5μm。a图中，横坐标Raman shift为拉曼位移(cm-1)，纵坐标Intensity为强度。
图5，a图为不同温度下的CVD法制备的G/Mo2C异质结构的电压-电流曲线，箭头指出的是多重电压台阶。右下插图为一个耗散分支的扩展图，可以更清晰地看到超导转变区域的多重电压台阶；左上插图为一个典型的四引线器件的SEM照片，异质结构区域由虚线描出，比例尺为5μm。b图为另一个异质结构器件在不同温度下的电压-电流曲线在超导转变区域的扩展，插图为纯二维Mo2C晶体器件在1.9K温度下的电压-电流曲线，并无台阶状图像被观察到。c和d图分别为G/Mo2C和纯Mo2C在150mK温度下的微分电阻dV/dI的二维图，为偏电流I和施加磁场B的函数。
图6，a图为一个基于G/Mo2C异质结构的约瑟夫森结器件的横截面示意图，b图为一个具有代表性的G/Mo2C异质结构的约瑟夫森结器件的SEM照片，c图为不同温度下的Mo2C/G/Mo2C结的V-I特征，说明其典型的直流约瑟夫森响应，d图为在100mK温度下穿过结的微分电阻dV/dI的二维图，其为偏电流I和磁场B的函数。a图中，SiO2/Si基底顶部为Mo2C，Mo2C顶部为石墨烯膜(graphene)。
图7，a图为冷却速度为40℃/min，冷却过程中无甲烷保护的条件下制备的G/Mo2C异质结构的SEM照片，如箭头所示，Mo2C周围有很多六边形洞，表面石墨烯已经被刻蚀，b图为相同冷却速率下有甲烷保护得到的G/Mo2C异质结构的SEM照片，石墨烯是完整的，没有被刻蚀。
图8，a-c图分别为1070℃温度下在Cu/Mo基底上生长30min(a)，然后升温到1085℃反应30s(b)和60s(c)的光学照片，样品都已转移到了SiO2/Si基底上，可以发现在固态铜上仅有多层连续的石墨烯生成，在液态铜上生长30s以后有很多小的Mo2C出现，Mo2C周围的多层石墨烯被刻蚀成单层，当生长时间延长到60s时，整个石墨烯膜已经完全变成均匀的单层。
图9，在1092℃温度下，液态铜上直接生长3min的异质结构转移到SiO2/Si基底上的光学照片，生长气氛与两步法完全一样，可以发现得到的Mo2C形状不规则并且很厚。
图10，生长在Cu/Mo基底上的六边形石墨烯单晶/Mo2C晶体的异质结构的光学照片，可以看出没有石墨烯的地方，没有Mo2C出现。
图11，a和b图分别为1086℃温度下和1100温度下用25μm厚的铜生长20s得到的G/Mo2C异质结构的光学照片，可以发现Mo2C的形核密度对生长温度并不敏感。
图12，a和b图分别为1090℃下在Cu(25μm)/Mo基底上分别生长20s和1min得到的异质结构转移到SiO2/Si基底上的光学照片，c和d图分别为1090℃下在Cu(12.5μm)/Mo基底上分别生长2min和10min得到的异质结构转移到SiO2/Si基底上的光学照片，可以发现，可以通过使用不同厚度的铜箔来调控Mo2C的形核密度。
图13，无Mo2C晶体区域石墨烯的典型拉曼谱，显示出其高质量单层的特征。图中，横坐标Raman shift为拉曼位移(cm-1)，纵坐标Intensity为强度。
图14，a图为转移到SiO2/Si基底上的纯六边形Mo2C晶体的光学照片，b图为图a中圆圈标记位置的拉曼谱，140cm-1处有一特征峰。b图中，横坐标Ramanshift为拉曼位移(cm-1)，纵坐标Intensity为强度。
图15，a图为CVD法制备的G/Mo2C异质结构在SiO2/Si基底的光学照片，b图为对应于图a刻蚀完Mo2C的光学照片，可以发现生长有Mo2C区域的石墨烯与其他区域是均匀连续的单层石墨烯。
图16，分别为CVD法制备的G/Mo2C异质结构(上部)、纯Mo2C(中部)和去除纯Mo2C背底的G/Mo2C异质结构区域(下部)的石墨烯拉曼谱，可以发现无明显的D峰出现，表明了异质结构区域石墨烯具有很高的质量。其中，横坐标Raman shift为拉曼位移(cm-1)，纵坐标Intensity为强度。
图17，a-c图分别为六边形、九边形和六边形Mo2C与石墨烯堆垛得到的异质结构的明场TEM照片，d-f分别为对应a-c图中的选区电子衍射花样，可以看出堆垛得到的异质结构中Mo2C与单层石墨烯的取向是随机的，不是取向一致的。
具体实施方式：
在具体实施方式中，本发明高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，采用铜箔(上层)/金属箔片(底层)构成的双金属叠片作为生长基体，在高温下通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出石墨烯，然后在液态铜与石墨烯之间生长二维过渡金属碳化物晶体，后续刻蚀掉铜基底得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构，具体步骤如下：
(1)石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的CVD生长：以上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在高温化学气相沉积过程中，率先在铜基体表面生长石墨烯，然后金属箔片提供金属原子，铜箔熔化后作为金属原子的扩散通道，控制扩散到铜中的金属原子的数量，进而与液态铜催化裂解碳源形成的碳原子反应在石墨烯与液态铜界面处形成二维金属碳化物晶体从而得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料；
所采用的生长基底为铜箔和金属箔片(包括钼片、钨片、钽片、钛片、铌片、铬片或钒片等)的双金属叠片，金属箔片的厚度为10μm～10mm，优选范围为25μm～200μm；铜箔厚度为100nm～100μm，优选范围为1μm～25μm；纯度为98wt％～99.9999wt％，优先范围为99.5％～99.9999％。所采用的CVD裂解碳源为碳氢化合物：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷以及乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上，或者固体碳源：无定形碳、石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等高分子聚合物固体碳源之一种或两种以上。CVD生长使用的碳源流量为0.2sccm～10sccm，优选范围为1.0sccm～3.0sccm；CVD生长使用的载气为氢气或者为氢气与惰性气体的混合气体(载气流量为20毫升/分钟～1000毫升/分钟)，二维过渡金属碳化物中的元素成分比可以通过碳源浓度来控制。CVD生长温度为1050℃～1300℃，优选范围为1085℃～1100℃；生长时间为1秒～600分钟，优选为10秒～60分钟，较佳为1分钟～10分钟；反应结束后冷却速度为10℃/分钟～600℃/分钟，优选范围为200℃/分钟～600℃/分钟。
(2)高分子聚合物保护层的涂覆：在石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的表面均匀地涂覆一层高分子聚合物，对其进行保护，以防止其在后续转移过程中发生破坏；
采用高分子聚合物对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构进行保护，便于其转移。这些高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。使用时，高分子聚合物与有机溶剂混合而成溶液，有机溶剂为乳酸乙酯、丙酮、异丙醇或乙酸乙酯，溶液中高分子聚合物的浓度为1.0～10wt％。
(3)铜基底的溶解：用铜的刻蚀液溶除铜基底，得到高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构复合膜；去除铜基底的溶解液为四氯化锡水溶液、过硫酸铵水溶液或氯化铁水溶液等，所述溶解液的摩尔浓度为0.05mol/L～2mol/L。
(4)高分子聚合物保护层的去除：将得到高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构复合膜放置在目标基体上，用有机溶剂将覆盖在石墨烯表面的高分子聚合物保护膜溶解去除。
采用有机溶剂去除高分子聚合物保护层，采用的有机溶剂为丙酮、乳酸乙酯、二氯乙烷、三氯乙烯、氯仿等酮类、氯代烃、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
本发明获得的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构，其中二维金属碳化物晶体的厚度为0.5nm～1000nm(优选为1nm～10nm)，成分均一、无缺陷和空位，石墨烯膜的尺寸取决于生长过程中所使用的基体尺寸，异质结构的电导率为10S/cm～100000S/cm(优选为10000S/cm～100000S/cm)。
下面通过实施例和附图进一步详述本发明。
实施例1
本实施例中，高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法如下：
首先，如图1所示，本发明采用水平式反应炉生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构，水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口3，铜箔/钼片置于水平式反应炉高温区，将铜箔/钼片(铜箔20毫米×20毫米×25微米，纯度为99.999wt％，钼片20毫米×20毫米×100微米，纯度为99.95wt％)放置于水平式反应炉(炉管直径22毫米，反应区长度20毫米)中央区域；在氢气和氩气气氛中加热至1070℃(加热过程中氢气流量为200毫升/分钟，氩气流量为500毫升/分钟，升温速度为20℃/分钟)，待炉温升至1070℃后通入甲烷、氢气及氩气的混合气体(气体流速分别为甲烷1.10毫升/分钟、氢气200毫升/分钟和氩气500毫升/分钟)，开始生长多层石墨烯膜，生长时间为30分钟，然后保持所有气氛不变，将温度升到1090℃使铜变成液态，开始在石墨烯与液态铜之间生长二维碳化钼，生长时间为5分钟，生长结束后在甲烷气氛保护下以40℃/分钟的速度冷却，在铜表面上得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
然后，将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的乳酸乙酯溶液(聚甲基丙烯酸甲酯占4wt％)滴到生长有石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的铜表面，用旋涂仪5000转/分钟涂成一层PMMA薄膜，在150℃温度下烘30分钟后放入0.2mol/L过硫酸铵水溶液中，在70℃温度下反应30分钟以溶解铜基底，将PMMA/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构薄膜转移到SiO2/Si基底上，然后用丙酮在55℃温度下溶解掉PMMA，最终实现石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的成功转移。
利用光学显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的形貌、晶体质量、相对取向和界面应力进行表征，表明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构中石墨烯与碳化钼均有很高的晶体质量、石墨烯与碳化钼有一致的晶体取向，石墨烯与碳化钼界面处有很强的压应力1.5～3.0GPa，平均尺寸为5μm，平均厚度约为5nm，且可获得高透明度的约瑟夫森结。
实施例2
本实施例中，高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法如下：
首先，如图1所示，本发明采用水平式反应炉生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构，水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口3，铜箔/钼片置于水平式反应炉高温区，将铜箔/钼片(铜箔20毫米×20毫米×12.5微米，纯度为99.5wt％，钼片20毫米×20毫米×100微米，纯度为99.95wt％)放置于水平式反应炉(炉管直径22毫米，反应区长度20毫米)中央区域；在氢气和氩气气氛中加热至1070℃(加热过程中氢气流量为200毫升/分钟，氩气流量为500毫升/分钟，升温速度为20℃/分钟)，待炉温升至1070℃后通入甲烷、氢气及氩气的混合气体(气体流速分别为甲烷1.10毫升/分钟、氢气200毫升/分钟和氩气500毫升/分钟)，开始生长多层石墨烯膜，生长时间为30分钟，然后保持所有气氛不变，将温度升到1090℃，开始在石墨烯与液态铜之间生长二维碳化钼，生长时间为10分钟，生长结束后在甲烷气氛保护下以40℃/分钟的速度冷却，在铜表面上得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
然后，将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的乳酸乙酯溶液(聚甲基丙烯酸甲酯占4wt％)滴到生长有石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的铜表面，用旋涂仪5000转/分钟涂成一层PMMA薄膜，在150℃温度下烘30分钟后放入0.2mol/L过硫酸铵水溶液中，在70℃温度下反应30分钟以溶解铜基底，将PMMA/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构薄膜转移到SiO2/Si基底上，然后用丙酮在55℃温度下溶解掉PMMA，最终实现石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的成功转移。
利用光学显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的形貌、晶体质量、相对取向和界面应力进行表征，表明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构中石墨烯与碳化钼均有很高的晶体质量、石墨烯与碳化钼有一致的晶体取向，石墨烯与碳化钼界面处有很强的压应力1.5～3.0GPa，平均尺寸为10μm，平均厚度约为8nm，且可获得高透明度的约瑟夫森结。
实施例3
本实施例中，高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法如下：
首先，如图1所示，本发明采用水平式反应炉生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构，水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口3，铜箔/钼片置于水平式反应炉高温区，将铜箔/钼片(铜箔20毫米×20毫米×12.5微米，纯度为99.5wt％，钼片20毫米×20毫米×100微米，纯度为99.95wt％)放置于水平式反应炉(炉管直径22毫米，反应区长度20毫米)中央区域；在氢气和氩气气氛中加热至1070℃(加热过程中氢气流量为200毫升/分钟，氩气流量为500毫升/分钟，升温速度为20℃/分钟)，待炉温升至1070℃后通入甲烷、氢气及氩气的混合气体(气体流速分别为甲烷5毫升/分钟、氢气200毫升/分钟和氩气500毫升/分钟)，开始生长多层石墨烯膜，生长时间为10分钟，然后保持所有气氛不变，将温度升到1090℃，开始在石墨烯与液态铜之间生长二维碳化钼，生长时间为10分钟，生长结束后在甲烷气氛保护下以40℃/分钟的速度冷却，在铜表面上得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
然后，将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的乳酸乙酯溶液(聚甲基丙烯酸甲酯占4wt％)滴到生长有石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的铜表面，用旋涂仪5000转/分钟涂成一层PMMA薄膜，在150℃温度下烘30分钟后放入0.2mol/L过硫酸铵水溶液中，在70℃温度下反应30分钟以溶解铜基底，将PMMA/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构薄膜转移到SiO2/Si基底上，然后用丙酮在55℃温度下溶解掉PMMA，最终实现石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的成功转移。
利用光学显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的形貌、晶体质量、相对取向和界面应力进行表征，表明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构中石墨烯与碳化钼均有很高的晶体质量、石墨烯与碳化钼有一致的晶体取向，石墨烯与碳化钼界面处有很强的压应力1.5～3.0GPa，平均尺寸为10μm，平均厚度约为8nm，且可获得高透明度的约瑟夫森结。
实施例4
本实施例中，高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法如下：
首先，如图1所示，本发明采用水平式反应炉生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构，水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口3，铜箔/钼片置于水平式反应炉高温区，将铜箔/钼片(铜箔20毫米×20毫米×100微米，纯度为99.5wt％，钼片20毫米×20毫米×100微米，纯度为99.95wt％)放置于水平式反应炉(炉管直径22毫米，反应区长度20毫米)中央区域；在氢气和氩气气氛中加热至1070℃(加热过程中氢气流量为200毫升/分钟，氩气流量为500毫升/分钟，升温速度为20℃/分钟)，待炉温升至1070℃后通入甲烷、氢气及氩气的混合气体(气体流速分别为甲烷1.10毫升/分钟、氢气200毫升/分钟和氩气500毫升/分钟)，开始生长多层石墨烯膜，生长时间为30分钟，然后保持所有气氛不变，将温度升到1090℃，开始在石墨烯与液态铜之间生长二维碳化钼，生长时间为10分钟，生长结束后在甲烷气氛保护下以40℃/分钟的速度冷却，在铜表面上得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
然后，将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的乳酸乙酯溶液(聚甲基丙烯酸甲酯占4wt％)滴到生长有石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的铜表面，用旋涂仪5000转/分钟涂成一层PMMA薄膜，在150℃温度下烘30分钟后放入0.2mol/L过硫酸铵水溶液中，在70℃温度下反应30分钟以溶解铜基底，将PMMA/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构薄膜转移到SiO2/Si基底上，然后用丙酮在55℃温度下溶解掉PMMA，最终实现石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的成功转移。
利用光学显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的形貌、晶体质量、相对取向和界面应力进行表征，表明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构中石墨烯与碳化钼均有很高的晶体质量、石墨烯与碳化钼有一致的晶体取向，石墨烯与碳化钼界面处有很强的压应力1.5～3.0GPa，平均尺寸为3μm，平均厚度约为12nm，且可获得高透明度的约瑟夫森结。
如图1所示，本发明CVD法生长高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的实验装置，主要包括：气体入口1、金属基底2、气体出口3、加热炉4，气态碳源和载气从气体入口1处进入加热炉4的管内(固态碳源可以直接涂覆或沉积在铜箔21上表面)，从气体出口3排出，金属基底2为叠放在加热区的铜箔21与金属箔片22构成。
如图2所示，从CVD法制备石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的流程可以看出，两步法可以很好的制备出石墨烯/二维Mo2C晶体的垂直异质结构。
如图3所示，拉曼面扫结果说明，碳化钼上的石墨烯很均匀，透射电镜结果说明，石墨烯与其下面的碳化钼取向一致并且晶体质量很高。
如图4所示，拉曼面扫结果说明，石墨烯与碳化钼界面处存在很强的相互作用，表现出很大的压应力。
如图5所示，通过对比，低温输运测试说明，异质结构与纯碳化钼的超导电性不同，存在明显的奇异性。
如图6所示，低温输运测试说明，由石墨烯与碳化钼构成的异质结构搭建的约瑟夫森结有很高的透明度。
如图7所示，通过对比实验说明，甲烷的存在在样冷却过程中对石墨烯有很好的保护作用。
如图8所示，异质结构生长的三个典型的阶段，说明石墨烯是由多层石墨烯转变成单层石墨烯的。
如图9所示，直接在液态铜长得到异质结构，形状不规则，且厚度较大。
如图10所示，碳化钼只生长有石墨烯的区域，说明石墨烯的存在对碳化钼的生长至关重要。
如图11所示，相同气氛和生长时间，不同温度下得到的异质结构上的碳化钼形核密度相差不大，说明碳化钼形核密度对温度不敏感。
如图12所示，不同厚度的铜箔可以很好的调控石墨烯下面碳化钼的形核密度，铜越薄，形核密度越低。
如图13所示，从拉曼结果可以看出，多层石墨烯转化而来的单层石墨烯也具有很高的质量。
如图14所示，纯的碳化钼在～140cm-1有一个特征的拉曼峰。
如图15所示，通过对比实验可以看出，碳化钼上面的石墨烯与其周围的石墨烯是一个连续均匀的单层石墨烯膜。
如图16所示，扣除碳化钼背底的影响，发现碳化钼上石墨烯有着很高的G/D值＝10～30，说明异质结构内石墨烯的晶体质量很高。
如图17所示，通过堆垛得到的异质结构，石墨烯与碳化钼之间没有固定的取向关系，它们的夹角是随机的。
上述结果表明，本发明通过两步法，先在较低温度下制备石墨烯，然后以高熔点金属同时做为生长基底和反应物，另一种与其紧密接触的低熔点金属在高温溶化后作为高熔点金属原子的扩散通道，气态或液态含碳化合物或无定形碳、高分子聚合物做为碳源，在高温下通过简单的CVD方法，在石墨烯与液体金属之间生长二维金属碳化物晶体，实现了高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体异质结构的制备，具有制备工艺简单，产物厚度和尺寸易于调控，相比于纯碳化物晶体，具有很好的稳定性以及石墨烯质量高、界面干净、晶体取向一致界面耦合作用强等特点，从而为高质量石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构在催化、激光探测、透明导电薄膜、热管理、二维超导及高透明约瑟夫森结等领域的研究和应用奠定了基础。

Claims (10)

1.一种高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料，其特征在于：石墨烯为均匀单层石墨烯，拉曼峰G/D＝10～30，尺寸取决于生长过程中所使用的基体尺寸；二维金属碳化物厚度为0.5nm～1000nm，其横向尺寸为50nm～100μm，整个材料成分均一、无缺陷和空位；异质结构界面干净、石墨烯与金属碳化物晶体取向一致并具有很强的耦合作用，即异质结构部分石墨烯内有很强的压应力存在，压应力范围为0.5～5GPa。
2.一种权利要求1所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于：采用上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在600～1083℃的高温下率先通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出石墨烯，然后升高温度至1085～1300℃，进一步在石墨烯下面生长出二维过渡金属碳化物晶体；或者，在1085～1300℃的温度下直接生长石墨烯和二维过渡金属碳化物；从而，制备出石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构，后续刻蚀掉铜基底得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
3.按照权利要求2所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的化学气相沉积生长：以上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体，在低于铜熔点的高温化学气相沉积过程中，率先在铜基体表面生长石墨烯，然后升高温度至高于铜熔点，金属箔片提供金属原子，铜箔熔化后作为金属原子的扩散通道，控制扩散到铜中的金属原子的数量，进而与液态铜催化裂解碳源形成的碳原子反应，在石墨烯与液态铜界面处形成二维金属碳化物晶体，从而得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料；或者直接在高于铜熔点的温度下，同时生长石墨烯和金属碳化物晶体，同样得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料；
(2)高分子聚合物保护层的涂覆：在石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的表面均匀地涂覆一层高分子聚合物，对其进行保护，以防止其在后续转移过程中发生破坏；
(3)铜基底的刻蚀：用铜的刻蚀液溶除铜基底，得到高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料复合膜；
(4)高分子聚合物保护层的去除：将得到的高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料复合膜放置在目标基体上，用有机溶剂将覆盖在石墨烯表面的高分子聚合物保护膜溶解去除。
4.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于，底层采用的金属箔片为钼片、钨片、钽片、钛片、铌片、铬片或钒片，金属箔片的厚度为10μm～1.0mm，铜箔厚度为100nm～100μm，纯度为98wt％～99.9999wt％。
5.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于，化学气相沉积反应过程中，碳源为碳氢化合物：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷、乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上；或者，碳源为固体碳源：无定形碳、石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。
6.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于，化学气相沉积反应过程中，载气为氢气或者氢气与惰性气体的混合气体。
7.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于，化学气相沉积生长金属碳化物的温度为1085℃～1300℃，生长时间为1秒～600分钟。
8.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于，铜的刻蚀液为过硫酸铵水溶液、四氯化锡水溶液或氯化铁水溶液。
9.按照权利要求3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于，采用高分子聚合物对石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构材料保护，将石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料转移到其他基体上，高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。
10.按照权利要求3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法，其特征在于，除去铜基底后，用有机溶剂去除高分子聚合物保护层，采用的有机溶剂为酮类、氯代烃、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
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