CN109609924B - 一种降低石墨烯晶片形核密度的方法 - Google Patents

一种降低石墨烯晶片形核密度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种降低石墨烯晶片形核密度的方法，该方法的步骤是首先对铜箔表面进行抛光和氧化预处理，然后在处理后的铜箔表面制备石墨烯晶片。本发明提出了新的降低石墨烯晶片形核密度的方法，简便易行、效果好。同时，在本方法的基础上可探究铜基底的粗糙度及氧化程度对石墨烯晶片形核密度的影响，以便进一步增加石墨烯晶片的尺寸，提高石墨烯薄膜的质量。

Description

一种降低石墨烯晶片形核密度的方法
技术领域
本发明是一种降低石墨烯晶片形核密度的方法，属于碳纳米材料合成领域。
背景技术
石墨烯薄膜是由多个晶片生长联合形成的多晶薄结构。大量晶界和旋转错配的存在限制了电子在材料中的高效传输，同时也降低了材料的力学性能。因此，增大晶片的尺寸能够极大提升石墨烯材料的电学、力学等性能，有利于拓展其在电子器件、复合材料等领域的应用。
从晶片的形核和生长机理出发，大尺寸石墨烯晶片的制备需要晶片具有较低的形核密度。目前通过化学气相沉积法降低石墨烯晶片形核密度的方法主要有以下几种：①降低铜基底表面的污染物和粗糙度。该方法主要通过对基底电化学抛光、长时间氢气高温退火、熔融铜基底等方法实现。②控制气态碳源在基底处的浓度。该方法常用的方法有折叠铜信封、铜箔堆叠、将基底放入与进气方向相反的石英套管等影响碳源的扩散。③在铜基底表面形成含氧钝化层，如用含微量氧的氩气对基底退火、体系中通入少量氧、基底在空气中加热、水蒸气处理等途径。该方法不仅能够降低形核密度，还能够降低气态碳源裂解所需的能量，提高晶片的生长速度。
现有的降低铜基底表面污染物和粗糙度的方法、以及控制基底表面气态碳源浓度的方法效率低、操作性差、不利于材料的大规模生长。现有的在铜基底表面形成钝化层的方法多采用直接获得的铜，不经过前处理，无法降低基底表面的粗糙度和微结构缺陷。另外几种降低形核密度的方法需要分开进行和操作，不能同步实现。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的问题，提供一种降低石墨烯晶片形核密度的方法，其目的是通过简单便捷的基底调控方法以降低石墨烯晶片的形核密度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种降低石墨烯晶片形核密度的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、对铜箔表面进行抛光和氧化预处理：
1.1抛光液的配制：选择醋酸体系的电化学抛光溶液；
1.2样品前处理：将铜箔置于重量百分比浓度为5％的盐酸水溶液中超声清洗5～10min，然后用去离子水清洗，再置于异丙醇或挥发性有机溶剂中超声清洗5～10min，最后用冷风吹干；
1.3电化学抛光和氧化：采用三电极循环伏安法对铜箔表面进行同步抛光和氧化；
1.4样品清洗：将经电化学抛光和氧化处理后的铜箔取出立即放于去离子水中清洗，然后放于异丙醇中清洗，干燥；
步骤二、在处理后的铜箔表面制备石墨烯晶片：
2.1铜箔放置于石英舟上，置于管式炉中心区域，通入流量为200～500sccm的氩气10～20min，之后将体系进行升温；
2.2温度升至950～1050℃时，通入流量为10～50sccm的H2，保温0～2h；
2.3保温结束后在体系中通入浓度为0.1％～100％的CH4/Ar混合气，流量为0.5～20sccm，反应时间为10～120min；
2.4关闭CH4/Ar混合气体和H2，将石英舟拖出反应区，进行快速降温，在铜箔表面得到石墨烯晶片。
所述的抛光液为重量百分比浓度为10～90％的醋酸水溶液。
所述的抛光液为添加了粘度调节剂、配合物、光亮剂以及缓蚀剂的醋酸体系的电化学抛光溶液。
所述的挥发性有机溶剂为乙醇或丙酮。
所述的三电极循环伏安法采用的参比电极为Ag/AgCl，对电极为铂，工作电极为铜，三电极循环伏安法采用的电压范围为-3V～3V，扫描速率为1～100mV/s，循环次数为1～30，停止电位为0.5～3V。
步骤二中，在处理后的铜箔表面制备石墨烯晶片时的体系内的压强为102～105Pa。
100mV/s，循环次数为1～30，停止电位为0.5～3V。
本发明技术方案采用弱酸电解液，采用循环伏安法，通过扫描电压、扫描速度和循环次数的相互匹配调控铜表面粗糙度，通过停止电位调控铜表面氧化膜的厚度，实现抛光和氧化铜表面的过程结合，提升材料制备效率。
本发明方法具有以下有益效果：
(1)在三电极循环伏安法的电化学过程中同时实现铜表面的抛光和氧化，简单便捷，效率高；
(2)在三电极循环伏安法的电化学过程中，当氧化膜的生成速度大于弱酸对氧化膜的消耗速度时，氧化层厚度不断增加，通过停止电位的改变调控铜表面氧化膜的厚度；
(3)通过扫描电压、扫描速度及循环次数的匹配调控铜表面的粗糙度；
(4)能够完成复杂形状铜构件表面的抛光和氧化。
(5)基底的抛光和氧化在降低石墨烯晶片形核密度方面具有协同作用，两个过程同步进行，效率高，且铜基底的粗糙度和氧化膜厚度可控；
(6)反应系统中不同时涉及氢气和氧气的引入，减少了反应过程中的危险因素；
(7)该基底处理方法可联合其他方法(如控制碳源流量等)共同对形核点密度进行控制，将形核点密度控制在需求范围。
具体实施方式
实施例1：
该种降低石墨烯晶片形核密度的方法的步骤如下：
步骤一、抛光液的配制：将醋酸与去离子水混合均匀，得到重量百分比浓度为10～90％的醋酸水溶液；
步骤二、样品前处理：剪取尺寸为1cm*3cm的铜箔，将铜箔置于重量百分比浓度为5％的盐酸水溶液中超声清洗5min，然后用去离子水清洗，再置于异丙醇或挥发性有机溶剂中超声清洗5min，最后用压缩氮气吹干；
所述的挥发性有机溶剂为乙醇或丙酮；
步骤三、电化学抛光和氧化：以醋酸水溶液为电解液、Ag/AgCl为参比电极、铂片为对电极、清洗后的铜箔为工作电极进行三电极循环伏安法同步抛光和氧化，设置循环测试的参数为：初始电位为-1V、高电位为1V、低电位为-1V、终止电位为0.6V、循环扫描速度为10mV/s、循环段数为5。
步骤四、样品清洗：将经电化学抛光和氧化处理后的铜箔取出立即放于去离子水中清洗，再放入异丙醇中超声处理3min，取出用压缩氮气吹干。
步骤五、将所述经抛光和氧化预处理后的铜箔放置于石英舟上，置于管式炉中心区域，通入流量为500sccm的氩气15min，之后在400sccm氩气下将体系进行升温；
步骤六、温度升至1000℃时，通入流量为20sccm的H2,保温30min；
步骤七、保温结束后在体系中通入体积浓度为0.5％的CH4/Ar混合气，流量为10sccm，反应时间为30min；
步骤八、关闭CH4/Ar混合气体和H2，将石英舟拖出反应区，快速降温后在铜箔表面得到石墨烯晶片。
实施例2：
该种降低石墨烯晶片形核密度的方法的步骤如下：
步骤一、抛光液的配制：将100mL水、50mL醋酸、50mL酒精、10mL异丙醇和1g尿素混合搅拌均匀，制备醋酸体系的电化学抛光液；
步骤二、样品前处理：剪取尺寸为1cm*2cm的铜箔，将铜箔置于重量百分比浓度为5％的盐酸水溶液中超声清洗5min，然后用去离子水清洗，再置于异丙醇或挥发性有机溶剂中超声清洗5min，最后用压缩氮气吹干；
所述的挥发性有机溶剂为乙醇或丙酮；
步骤三、电化学抛光和氧化：以电化学抛光液为电解液、Ag/AgCl为参比电极、铂片为对电极、清洗后的铜箔为工作电极进行三电极循环伏安法同步抛光和氧化，设置循环测试的参数为：初始电位为-0.8V、高电位为0.8V、低电位为-0.8V、终止电位为0.8V、循环扫描速度为5mV/s、循环段数为7。
步骤四、样品清洗：将经电化学抛光和氧化处理后的铜箔取出立即放于去离子水中清洗，再放入异丙醇中超声处理3min，取出用压缩氮气吹干。
步骤五、将所述经清洗和氧化预处理后的铜箔放置于石英舟上，置于管式炉中心区域，通入流量为500sccm的氩气15min，之后在300sccm氩气下将体系进行升温；
步骤六、温度升至1050℃时，通入流量为10sccm的H2,保温60min；
步骤七、保温结束后在体系中通入体积浓度为5％的CH4/Ar混合气，流量为0.5sccm，反应时间为15min；
步骤八、关闭CH4/Ar混合气体和H2，将石英舟拖出反应区，快速降温后在铜箔表面得到石墨烯晶片。

Claims (4)

1.一种降低石墨烯晶片形核密度的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、对铜箔表面进行抛光和氧化预处理：
1.1抛光液的配制：选择醋酸体系的电化学抛光溶液；
1.2样品前处理：将铜箔置于重量百分比浓度为5％的盐酸水溶液中超声清洗5～10min，然后用去离子水清洗，再置于异丙醇或挥发性有机溶剂中超声清洗5～10min，最后用冷风吹干；
1.3电化学抛光和氧化：采用三电极循环伏安法对铜箔表面进行同步抛光和氧化；
1.4样品清洗：将经电化学抛光和氧化处理后的铜箔取出立即放于去离子水中清洗，然后放于异丙醇中清洗，干燥；
步骤二、在处理后的铜箔表面制备石墨烯晶片：
2.1铜箔放置于石英舟上，置于管式炉中心区域，通入流量为200～500sccm的氩气10～20min，之后将体系进行升温；
2.2温度升至950～1050℃时，通入流量为10～50sccm的H2，保温0～2h；
2.3保温结束后在体系中通入浓度为0.1％～100％的CH4/Ar混合气，流量为0.5～20sccm，反应时间为10～120min；
2.4关闭CH4/Ar混合气体和H2，将石英舟拖出反应区，进行快速降温，在铜箔表面得到石墨烯晶片；
所述的抛光液为添加了粘度调节剂、配合物、光亮剂以及缓蚀剂的醋酸体系的电化学抛光溶液，所述的抛光液的重量百分比浓度为10～90％。
2.根据权利要求1所述的降低石墨烯晶片形核密度的方法，其特征在于：所述的挥发性有机溶剂为乙醇或丙酮。
3.根据权利要求1所述的降低石墨烯晶片形核密度的方法，其特征在于：所述的三电极循环伏安法采用的参比电极为Ag/AgCl，对电极为铂，工作电极为铜，三电极循环伏安法采用的电压范围为-3V～3V，扫描速率为1～100mV/s，循环次数为1～30，停止电位为0.5～3V。
4.根据权利要求1所述的降低石墨烯晶片形核密度的方法，其特征在于：步骤二中，在处理后的铜箔表面制备石墨烯晶片时的体系内的压强为102～105Pa。
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