CN109941991A - 一种直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法，在材料学、微纳电子学等领域具有应用前景。本发明设计了一种堆叠的三明治结构，即缓冲层/吸收层‑金属箔片－目标衬底，提出利用此结构在化学气相沉积(CVD)过程中使石墨烯生长与转移相继进行，并将金属箔片表面生长的石墨烯直接在高温原位转移至蓝宝石和二氧化硅等绝缘衬底表面。其过程是：石墨烯首先生长在铜片或铜镍合金片表面，随后铜片或铜镍合金片逐渐软化并贴合于缓冲层表面，金属原子可有效的扩散穿过缓冲层到达吸收层，从而与吸收体反应而被消耗掉，而原本生长在铜片或铜镍合金片表面的石墨烯会直接原位“落在”绝缘衬底表面，即实现了在直接在绝缘衬底表面制备石墨烯薄膜的目标。

Description

一种直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法

技术领域

本发明提出一种可在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法，在材料学、微纳电子学等领域具有应用前景。

背景技术

石墨烯具有独特的结构和优异的性能，近年来在石墨烯的制备上已取得了不少重要进展。其中化学气相沉积(CVD)法得到的石墨烯薄膜质量高、面积大，逐渐成为制备高质量大面积石墨烯薄膜的重要方法。CVD法制备的石墨烯通常生长在Cu等金属表面，需要利用转移法将其转移到绝缘衬底(例如，SiO₂/Si、蓝宝石或有机聚合物塑料等)表面，才能进行后续电子器件和电路等方面的研究。石墨烯转移面临一系列问题，从而污染或破坏石墨烯，如光刻胶的残留、腐蚀液的离子残留、转移过程所致的褶皱和波纹等问题，这些都会影响石墨烯本征的电学性能。

发明内容

本发明目的在于提出了一种直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法。

本发明可通过如下技术方案实现：一种直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法，包括：

(1)将铜片或是铜镍合金片放置在目标绝缘衬底表面：其中，目标绝缘衬底层需选耐高温的绝缘材料(例如石英、蓝宝石、氮化镓、碳化硅、氧化硅、二氧化硅/硅、氧化锗、玻璃或氧化铝)；

(2)在吸收体表面制备缓冲层：吸收体是一种可与铜片或是铜镍合金反应的无机物材料(例如硅或锗)。缓冲层是一种电介质材料(例如氧化硅、氧化锗、氧化铪、氧化铝或氧化钇等)，也可以是多种电介质材料构成的混合物；缓冲层材料可采用热蒸发法蒸镀在吸收体表面，或采用原子层沉积法生长在吸收体表面。吸收体也可通过发生化学反应在自己表面生成一层缓冲层材料(例如硅高温下与氧气反应，表面生成一层氧化硅)。缓冲层的厚度在10-250nm之间；

(3)制备三明治堆叠结构样品：将表面覆盖有缓冲层的吸收体倒放在表面有铜片或铜镍合金片的目标绝缘衬底表面，形成三明治堆叠结构样品：吸收体/缓冲层－金属催化剂层－目标绝缘衬底；

(4)将准备好的堆叠结构样品放到化学气相沉积炉中：将化学气相沉积炉的温度加热到800～1000℃，通入气态碳源(例如甲烷，乙炔或乙烯)或是液态碳源对应的挥发物(例如酒精蒸汽)，或是加入固态碳源(例如聚乙烯颗粒)在金属催化剂片表面生长石墨烯；

(5)将化学气相沉积炉的温度升高接近铜的熔点(1030-1065℃)：高温下，铜片或铜镍合金片逐渐软化并贴合于缓冲层表面，温度越高、贴合越紧密，铜片或铜镍合金片的金属原子可有效的扩散穿过缓冲层到达吸收体，从而与吸收体反应而被消耗掉，而原本生长在铜片或铜镍合金片表面的石墨烯会直接原位“落在”目标绝缘衬底表面。

(6)降温到室温，取出生长之后的堆叠结构样品，将表面覆盖有缓冲层的吸收体与目标绝缘衬底分开，得到表面制备有石墨烯的目标绝缘衬底。

本发明的技术效果如下：

本发明提出了一种直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法。本发明设计了一种堆叠的三明治生长结构配合优化的生长控制，可完成CVD过程中石墨烯生长与转移按顺序相继进行：石墨烯首先生长在铜片或铜镍合金片表面，随后铜片或铜镍合金片逐渐软化并贴合于缓冲层表面，金属原子可有效的扩散穿过缓冲层到达吸收层，并与吸收层反应从而将铜箔消耗掉，而原本生长在铜片或铜镍合金片表面的石墨烯会直接原位“落在”绝缘衬底表面。即实现了在直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的目标。

附图说明

图1是本发明的堆叠型生长结构的示意图；1-----吸收体；2-----缓冲层；3-----铜片或铜镍合金片；4-----目标绝缘衬底；

图2是实施例一在蓝宝石表面制备的石墨烯样品。图2(a)是光学显微镜照片，图2(b)是制备的样品的拉曼光谱。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

实例1：直接在蓝宝石衬底表面制备石墨烯。

将25μm厚的Cu箔放置在蓝宝石衬底表面。硅片采用热氧氧化生长100nm的二氧化硅，其中硅是吸收体，二氧化硅是缓冲层。将生长有二氧化硅的硅片倒放在铜箔/蓝宝石的表面，形成堆叠型生长结构，即硅/二氧化硅/铜/蓝宝石。

将堆叠型结构样品(硅/二氧化硅/铜/蓝宝石)，送入2英寸的管式炉中。通入1000sccm氩气10分钟排尽炉中残留的空气；在300ssccm氩气的氛围中用时60分钟升温到950℃，关闭氩气，通入～10sccm的甲烷/氩气混合气体(其中甲烷分压0.5％)，生长20分钟；随后将炉温升高到1050℃，并保持～40分钟，此过程中铜片逐渐软化并贴合于缓冲层表面，铜原子可有效的扩散穿过缓冲层到达吸收体，从而与吸收体反应而被消耗掉，而原本生长在铜片表面的石墨烯会直接原位“落在”蓝宝石绝缘衬底表面。

关闭炉子电源，等待炉子降温到室温，取出生长之后的堆叠结构样品，将表面生长有的二氧化硅的硅吸收体与蓝宝石衬底分开，得到表面制备有石墨烯的蓝宝石。

实例2：石英衬底表面石墨烯薄膜的制备。

将12.5μm厚的Cu箔放置在石英衬底表面。采用热蒸发法给锗片表面蒸镀100nm的二氧化硅，其中锗是吸收体，二氧化硅是缓冲层。将蒸镀有二氧化硅的锗片倒放在铜箔/石英的表面，形成堆叠型生长结构，即锗/二氧化硅/铜/石英。

将堆叠型结构样品(锗/二氧化硅/铜/石英)，送入2英寸的管式炉中。通入1000sccm氩气10分钟排尽炉中残留的空气；在500ssccm氩气的氛围中用时60分钟升温到900℃，关闭氩气，通入～10sccm的甲烷/氩气混合气体(其中甲烷分压0.5％)，生长30分钟；随后将炉温升高到1050℃，并保持～40分钟，此过程中铜片逐渐软化并贴合于缓冲层表面，铜原子可有效的扩散穿过缓冲层到达锗吸收体，从而与锗吸收体反应而被消耗掉，而原本生长在铜片表面的石墨烯会直接原位“落在”石英绝缘衬底表面。

关闭炉子电源，等待炉子降温到室温，取出生长之后的堆叠结构样品，将表面蒸镀有二氧化硅的锗片与蓝宝石衬底分开，得到表面制备有石墨烯的石英衬底。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法，其特征在于，包括：

1)将铜片或铜镍合金片放置在目标绝缘衬底表面；

2)在吸收体表面制备缓冲层，缓冲层的厚度在10-250nm之间；

3)将表面覆盖有缓冲层的吸收体倒放在目标绝缘衬底表面，形成三明治堆叠结构样品，即形成吸收体/缓冲层－金属催化剂层－目标绝缘衬底；

4)将准备好的堆叠结构样品放到化学气相沉积炉中，将化学气相沉积炉的温度加热到800～1000℃，通入气态碳源或是液态碳源对应的挥发物，或是加入固态碳源在金属催化剂片表面生长石墨烯；

5)将化学气相沉积炉的温度升高接近铜的熔点；

6)化学气相沉积时间需保证催化剂中的金属原子能充分扩散穿过缓冲层至达吸收层，且与吸收体反应而完全被消耗掉，

7)取出生长之后的堆叠结构样品，将表面覆盖有缓冲层的吸收体与目标绝缘衬底分开，得到表面制备有石墨烯的目标绝缘衬底。

2.如权利要求1所述的直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤1)中所述目标绝缘衬底层需选耐高温的绝缘材料。

3.如权利要求1所述的直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤2)中所述吸收体是一种可与铜片或是铜镍合金反应的无机物材料。

4.如权利要求1所述的直接在绝缘衬底表面制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤5)中所述化学气相沉积炉的温度需要升高到1030-1065℃。