CN112921296A - 一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，它涉及化学领域，本发明的目的是为了解决异形结构的金属基底上生长石墨烯存在厚度和均匀性存在明显差异的问题，本发明方案：对异型金属基底预处理；通入氩气，抽真空；加热异型金属基底软化后通入过氧化氢气体和氩气后再通入碳源，进行生长。本发明在异形金属基底直接生长石墨烯材料，可使该金属基底性能得到优化，避免石墨烯转移过程中的结构破损和技术成本，在基于石墨烯等二维材料强化微通道热沉、电子器件散热器性能方面有广泛应用。本发明应用于石墨烯领域。

Description

一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及化学领域，具体涉及一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法。
背景技术
自从石墨烯材料被发现以来，其优异而独特的性能和广阔的应用前景受到了广泛关注。目前化学气相沉积法(CVD法)是制备大面积、高质量石墨烯的主要方法，在该方法中通常将金属材料作为基底。利用这一特点，可以在以金属作为材料的电子器件上直接利用CVD法生成石墨烯薄膜，以提高这些电子器件的抗腐蚀性能、传热性能、导电性能等，这还可以避免出现石墨烯转移等技术难题。但由于金属衬底在升温过程中存在容易发生表面氧化的问题，这使其催化作用无法充分发挥，难以生成两层以上的多层石墨烯薄膜。另外，在具有异形结构的金属基底上生长石墨烯，由于不同位置接触碳源气体浓度不同，基底不同位置生长的石墨烯生长厚度和均匀性存在明显差异。
发明内容
本发明的目的是为了解决异形结构的金属基底上生长石墨烯存在厚度和均匀性存在明显差异的问题，而提供一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法。
本发明的一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一、对异型金属基底预处理：
将异型金属基底依次使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗三次，然后加入到质量浓度为40％～50％的三聚氰胺水溶液中浸泡1min～3min，在去离子水中超声清洗5min；
步骤二、将上一步处理的异型金属基底置于感应熔炼炉的石英管内，向石英管内通入氩气，抽真空，重复三遍；
步骤三、加热异型金属基底，使异型金属基底达到软化状态，然后降温至800℃～1000℃，向石英管中通入过氧化氢气体和氩气，流量为0～300ml/min；通气时间为20～40min后通入碳源气体，流量为0～50mL/min；生长时间为90-600min；石英管内压强范围为0.1Torr到大气压；
步骤四、反应后，在氩气氛围下冷却到室温，得到生长石墨烯薄膜的异型金属基底；
所述的石英管内设置有异型金属基底支撑板，异型金属基底置于异型金属基底支撑板上异型金属基底支撑板上开设有多个通孔，在异型金属基底支撑板下方设置有碳源气体输送管，所述的碳源气体输送管上设置有多个出气口。
进一步地，所述的异型金属基底的材质为铜、镍、铂或以上三种金属的合金材料。
进一步地，所述的碳源气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、甲醇、乙醇中的至少一种。
进一步地，步骤三中通入过氧化氢气体和氩气，其中的过氧化氢气体占整个混合气体的体积含量为1％～5％。
进一步地，步骤三中所述的降温温度为900℃～1000℃。
进一步地，步骤三中所述的流量为1～300ml/min；通气时间为20～40min后通入碳源气体，流量为1～50mL/min；生长时间为100-600min；石英管内压强范围为0.1Torr到大气压。
进一步地，所述的异型金属基底支撑板的材质为石英。
本发明包含以下有益效果：
本发明对异型金属基底预处理可以降低异型金属基底表面的缺陷浓度，提高基底表面的平整度，减小石墨烯成核密度。三聚氰胺水溶液可钝化异型金属基底表面的催化活性中心，降低其催化裂解碳源的能力，进而减少石墨烯的成核密度。三聚氰胺水溶液还可以提高异型金属基底，尤其是铜表面平整度。
本发明将异型金属基底加热到软化状态，可降低异型金属基底的晶界，进一步提高异型金属基底的表面平整度；
本发明将异型金属基底退货至生长温度后向石英管中通入过氧化氢气体和氩气，过氧化氢分解的氢气可促进碳源裂解，提高石墨烯的均匀性和质量。同时对已产生的石墨烯有刻蚀石墨烯边界及其内部缺陷的效应；生成的氧气可以通过钝化铜表面活性位点而降低石墨烯的成核几率和密度，加速石墨烯的生长。
本发明通过在石英管内设置异型金属基底支撑板，将异型金属基底置于其上。然后在异型金属基底支撑板上开设通气孔，并在其下设置碳源气体通气管，能够将碳源快速直接的与异型金属基底接触，减小碳源气体分压导致石墨烯的生长速度减小，同时避免碳源与异型金属基底接触不均匀，导致石墨烯生长不均匀的问题，尤其是异型金属基底的底部石墨烯生长不均匀的问题。
本发明在异形金属基底直接生长石墨烯材料，可使该金属基底性能得到优化，避免石墨烯转移过程中的结构破损和技术成本，在基于石墨烯等二维材料强化微通道热沉、电子器件散热器性能方面有广泛应用。
附图说明
图1为实施例生长石墨烯的铜基微槽道图；
图2为铜基微槽道生长的石墨烯显微图样图；
图3为实施例制备的石墨烯的拉曼图图；
图4为实施例制备的双层石墨烯的AFM测试图；
图5为本发明的部分石英管内，放置异型金属基底的状态剖视图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实例1
选择矩形截面的铜基微槽道，依次使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗三次，将铜基微槽道加入浓度为45％的三聚氰胺水溶液中浸泡1min，在去离子水超声清洗5min，随后，放置于感应熔炼炉的石英管内备用，向石英管通入氩气，抽真空，重复三遍，以除去石英管及气路中的空气；将铜基微槽道加热至1050℃附近达到软化状态，然后降温至950℃，向石英管中通入过氧化氢气体、氩气20min后通入碳源气体；生长时间120分钟；系统压强为0.6Torr；过氧化氢气体、氩气的流量为50毫升/分钟，碳源的流量为30毫升/分钟；
如图5所示，所述的石英管4内设置有异型金属基底支撑板1，异型金属基底5置于异型金属基底支撑板1上异型金属基底支撑板1上开设有多个通孔2，在异型金属基底支撑板1下方设置有碳源气体输送管3，所述的碳源气体输送管3上设置有多个出气口。反应完毕后，在氩气氛围下冷却到室温，得到生长石墨烯薄膜的铜基微槽道。经测试石墨烯薄膜厚度约5nm，厚度均匀性<2nm。

Claims (7)

1.一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一、对异型金属基底预处理：
将异型金属基底依次使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗三次，然后加入到质量浓度为40％～50％的三聚氰胺水溶液中浸泡1min～3min，在去离子水中超声清洗5min；
步骤二、将上一步处理的异型金属基底置于感应熔炼炉的石英管内，向石英管内通入氩气，抽真空，重复三遍；
步骤三、加热异型金属基底，使异型金属基底达到软化状态，然后降温至800℃～1000℃，向石英管中通入过氧化氢气体和氩气，流量为0～300ml/min；通气时间为20～40min后通入碳源气体，流量为0～50mL/min；生长时间为90-600min；石英管内压强范围为0.1Torr到大气压；
步骤四、反应后，在氩气氛围下冷却到室温，得到生长石墨烯薄膜的异型金属基底；
所述的石英管(4)内设置有异型金属基底支撑板(1)，异型金属基底(5)置于异型金属基底支撑板(1)上异型金属基底支撑板(1)上开设有多个通孔(2)，在异型金属基底支撑板(1)下方设置有碳源气体输送管(3)，所述的碳源气体输送管(3)上设置有多个出气口。
2.根据权利要求1所述的一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，其特征在于所述的异型金属基底的材质为铜、镍、铂或以上三种金属的合金材料。
3.根据权利要求1所述的一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，其特征在于所述的碳源气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、甲醇、乙醇中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，其特征在于步骤三中通入过氧化氢气体和氩气，其中的过氧化氢气体占整个混合气体的体积含量为1％～5％。
5.根据权利要求1所述的一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，其特征在于步骤三中所述的降温温度为900℃～1000℃。
6.根据权利要求1所述的一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，其特征在于步骤三中所述的流量为1～300ml/min；通气时间为20～40min后通入碳源气体，流量为1～50mL/min；生长时间为100-600min；石英管内压强范围为0.1Torr到大气压。
7.根据权利要求1所述的一种在异型金属基底上生长石墨烯的方法，其特征在于所述的异型金属基底支撑板(1)的材质为石英。
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