CN111591980A - 一种多层石墨烯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多层石墨烯的制备方法，包括以下步骤：(a)升温步骤，将盒状的金属衬底加热，高温去除表面氧化层；(b)生长步骤，在生长室中通入甲烷和氢气，甲烷在高温下以铜为催化剂进行裂解生成活性炭原理，沉积在衬底的内外表面，开始石墨烯生长；(c)刻蚀步骤，生长一段时间后，通过等离子设备对衬底的外表面进行等离子刻蚀，移除外表面已经生长的石墨烯；(d)重复生长步骤，重复(b)和(c)步骤，实现多层石墨烯的连续生长。本发明中，碳原子高温下在金属中的扩散效应提供碳源，利用等离子体金属隔绝效应，盒状衬底的外表面进行刻蚀，而对内部不产生影响，从而实现内表面可控生长的状态，实现多层石墨烯的制备。

Description

一种多层石墨烯的制备方法

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体为一种多层石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)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，其机械、热学、光学和电学性能良好，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。多层石墨烯是指在10层以内的石墨烯，应用在导电、导热、润滑、高分子等多个领域。

目前石墨烯的制备方法有多种，主要包括：机械剥离法、SiC外延生长法、氧化还原法以及化学气相沉积法(CVD)。其中CVD方法实现简单，被广泛应用在石墨烯的制备当中。但是CVD方法生长的石墨烯只能生长出大部分单层的石墨烯，无法实现可控地生长多层石墨烯。

发明内容

鉴于现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种多层石墨烯的制备方法，采用的技术方案是，包括以下步骤：

(a)升温步骤，将盒状的金属衬底加热，高温去除表面氧化层；

(b)生长步骤，在生长室中通入甲烷和氢气，甲烷在高温下以铜为催化剂进行裂解生成活性炭原子，沉积在衬底的内外表面，开始石墨烯生长；

(c)刻蚀步骤，生长一段时间后，通过等离子设备对衬底的外表面进行等离子刻蚀，移除外表面已经生长的石墨烯；

(d)重复生长步骤，重复(b)和(c)步骤，实现多层石墨烯的连续生长。

作为本发明的一种优选技术方案，所述衬底采用铜箔。

作为本发明的一种优选技术方案，在衬底升温前，进行过硫酸铵溶液浸泡处理，然后用酒精冲洗后擦干。

作为本发明的一种优选技术方案，所述生长室采用带有石英管的高温管式炉。

作为本发明的一种优选技术方案，在生长结束后快速降低温度至室温，获得多层石墨烯样品。

本发明的有益效果：本发明中，碳原子高温下在金属中的扩散效应提供碳源，利用等离子体金属隔绝效应，由于等离子体在金属表面会迅速复合并消失，因此等离子气体可以被金属阻隔，这样能够实现对盒状衬底的外表面进行刻蚀，而对内部不产生影响，从而实现内表面可控生长的状态，实现多层石墨烯的制备。

附图说明

图1为本发明多层石墨烯的生长流程图；

图2为衬底内表面的拉曼表征图；

图3为衬底外表面的拉曼表征图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，多层石墨烯的制备方法包括以下步骤：

(1)衬底处理阶段，采用铜箔作为衬底，放入过硫酸铵溶液中浸泡，然后取出铜箔用酒精冲洗后擦干，将铜箔做成中空的盒状结构，作为生长衬底放入高温管式炉中；

(2)退火阶段，通入氢气，升温至150℃，以去除水蒸气，再升温至1030℃，去除表面氧化层；

(3)石墨烯生长步骤，向高温管式炉中通入甲烷和氢气，生长石墨烯；

(4)等离子体刻蚀阶段，通入氩气和氢气，采用等离子体喷头刻蚀铜箔盒子外面的石墨烯；

(5)重复生长石墨烯阶段，重复(3)和(4)步骤，实现多层石墨烯的连续生长。

为了验证等离子体只会刻蚀金属衬底的外表面，而不会对内表面产生影响，将生长10min的样品进行等离子体刻蚀，降温后取出样品后进行拉曼表征。结果如图2和图3所示，由拉曼单谱可以看出，内表面样品为高质量均匀的满单层石墨烯，而外表面由于等离子体的作用，已经没有石墨烯存在，只有单纯的铜表面。

采用以上方法进行多层石墨烯的制备，克服了普通CVD生长上的限制，从而实现多层石墨烯的可控生长。这种方法对于碳材料领域以及半导体材料领域而言是巨大的进步，有利于石墨烯在半导体器件的应用拓展以及工业上石墨烯在半导体器件的应用拓展以及工业上石墨烯材料的应用的推广和进一步发展。

在其他实施例中，等离子体喷头还可以替换为微波等离子体源或其他等离子设备。金属衬底还可以采用铂或镍。

上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种多层石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)升温步骤，将盒状的金属衬底加热，高温去除表面氧化层；

(b)生长步骤，在生长室中通入甲烷和氢气，甲烷在高温下以铜为催化剂进行裂解生成活性炭原子，沉积在衬底的内外表面，开始石墨烯生长；

(c)刻蚀步骤，生长一段时间后，通过等离子设备对衬底的外表面进行刻蚀，移除外表面已经生长的石墨烯；

(d)重复生长步骤，重复(b)和(c)步骤，实现多层石墨烯的连续生长。

2.根据权利要求1所述的多层石墨烯的制备方法，其特征在于：所述衬底采用铜箔。

3.根据权利要求1或2所述的多层石墨烯的制备方法，其特征在于：在衬底升温前，进行过硫酸铵溶液浸泡处理，然后用酒精冲洗后擦干。

4.根据权利要求1所述的多层石墨烯的制备方法，其特征在于：所述生长室采用带有石英管的高温管式炉。

5.根据权利要求1所述的多层石墨烯的制备方法，其特征在于：在生长结束后快速降低温度至室温，获得多层石墨烯样品。

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