TW201723219A - 在絕緣或半導體基板上的無金屬石墨烯合成 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於藉由化學氣相沉積(CVD)製備石墨烯之方法，其中絕緣或半導體無機基板提供於化學氣相沉積(CVD)反應器中，且在含氫氣氛圍中經歷熱預處理，且藉由使氣態氧化劑及含碳前驅體與該無機基板接觸以將石墨烯沉積於該無機基板上。

Description

在絕緣或半導體基板上的無金屬石墨烯合成
石墨烯被視為許多應用，包括透明可撓性導電電極及後CMOS電子裝置之令人振奮的材料。為實現此等應用，需要一種以一致方式製造大面積良好品質之石墨烯之可信賴方式。一種此類廣泛使用之方法為經由化學氣相沉積在過渡金屬上使石墨烯生長。此等過渡金屬基板質之催化活性使得能以簡單之熱方法獲得高品質石墨烯。
在CVD方法中，石墨烯沉積步驟藉由使含碳前驅體(諸如甲烷)與催化活性過渡金屬基板(諸如鎳或銅基板)接觸來進行。典型地，過渡金屬基板在含H2氛圍中經歷熱預處理，且石墨烯在催化活性過渡金屬基板上之沉積係在含碳前驅體及氫氣(H2)存在下進行。然而，亦已知在過渡金屬基板上、在氣態氧化劑存在下沉積石墨烯。I.H.Son等人在ACS Nano，2014年，第8卷，第9224-9232頁中描述了在鎳基板上、藉由CVD、在CH4及CO2(充當氣態氧化劑)存在下製備石墨烯。如I.H.Son等人所論述，氣態氧化劑氧化鎳表面，從而產生催化活性之非化學計算量之氧化鎳 NiOx。
A.J.Strudwick等人在ACS Nano，2015年，第9卷，第1期，第31-42頁中描述了在銅基板上、藉由CVD製備石墨烯，該銅基板充當過渡金屬催化劑，且在氣態氧化劑(CO2)存在下已經歷熱預處理。視情況，氣態氧化劑亦可在石墨烯沉積步驟期間與充當含碳前驅體之甲烷一起存在。
已知石墨烯在過渡金屬基板上之CVD可在大氣壓下(AP-CVD)或在低壓(LP-CVD)下進行。關於石墨烯品質，LP-CVD有時優於AP-CVD。
對於電子應用，石墨烯必須施加於絕緣或半導體基板上，因而必須包括自生長基板至施加基板之轉移。用於轉移之常見技術為用聚合物層(諸如PMMA)穩定化石墨烯，隨後蝕刻掉在下面的金屬基板，將石墨烯施加於絕緣或半導體基板上，及最終使用有機溶劑移除聚合物。因而，在轉移期間，聚合物之殘餘物及因機械應力所致之缺陷降低石墨烯品質。此外，尤其在伴隨有單次使用生長基板的情況下，額外方法步驟為嚴重之成本因素。
為避免此等缺點，需要在絕緣或半導體基板上的直接石墨烯合成。
Z.Liu等人在Nano Lett.，2015年，第15卷，第9期，第5846頁-5854頁中描述了石墨烯經由CVD在玻璃基板(石英玻璃、藍寶石玻璃、硼矽玻璃)上之直接生長。CVD步驟在含氫氣氛圍中進行。甲烷用作含碳前驅體。對於石墨烯/石英樣品，獲得83.7%之透射率及3.5kΩ/sq之薄層電 阻。
H.J.Song等人在Nanoscale，2012年，第4卷，第3050-3054頁中描述了石墨烯經由CVD在藍寶石基板上之直接生長。CVD步驟在含氫氣氛圍中進行。
US 2015/0232343係關於一種用於在介電基板上經由CVD製備石墨烯之方法，其中在石墨烯形成期間，沉積腔室不含電漿。
J.Chen等人在J.Am.Chem.Soc.，2011年，第133卷，第17548-17551頁中描述了用於在介電基板上製備石墨烯之方法，其中該基板在空氣中預處理，隨後經由CVD在含氫氣氛圍中沉積石墨烯。
J.Sun等人在J.Appl.Phys.，2012年，第111期044103中描述了在SiO2，亦即化學計算量氧化矽上，藉由化學氣相沉積、在大氣壓下製備奈米晶石墨烯。石墨烯沉積藉由使用CH4(亦即含碳前驅體)與H2(充當還原劑)的組合來實現。在SiO2基板上製備之石墨烯在拉曼光譜中具有>1的D峰與G峰之強度比。
M.A.Fanton等人在ACS Nano，2011年，第5卷，第8062-8069頁中描述了在藍寶石(亦即Al2O3)基板上、在CH4及H2存在下、藉由CVD製備石墨烯。CVD步驟中之石墨烯沉積溫度為1425-1700℃。在此類高溫下，不能再使用具有石英玻璃反應器壁之標準熱壁CVD反應器。
P.-Y.Teng等人在Nano Lett.，2012年，第12卷，第1379頁-第1384頁描述了石墨烯在SiO2基板上之銅輔助的CVD合成。在SiO2基板之上游提供銅箔。當將CVD反應器加熱至1000℃時，Cu粒子自Cu箔昇華且充當「遠端催化劑」，從而將石墨烯沉積物負載於SiO2基板上。石墨烯沉 積藉由使用CH4(亦即含碳前驅體)與H2(充當還原劑)的組合來實現。
W.C.Yen等人在Scientific Reports 4，2014年，文章編號：4739(DOI：10.1038/srep04739)中描述一種類似方法。在CVD反應器中鎳錠安置於SiO2基板之上游。加熱時，催化活性鎳蒸發且使石墨烯沉積物負載於SiO2基板上。
Ariel Ismach等人在Nano Lett.，2010年，第10卷，第1542-1548頁中描述了在SiO2基板上製備石墨烯，其中石墨烯藉由CVD在第一步中沉積於催化活性銅膜上，該催化活性銅膜反過來安置於石英基板上。熱處理時，銅層經蒸發，從而將石墨烯留在石英基板上。
亦已知石墨烯可在催化活性奈米粒子或奈米線上製備。I.H.Son等人在Nature Communications，2015年，第6卷，第7393頁(DOI：10.1038/ncomms8393)中描述了在矽奈米粒子上製備石墨烯。含碳前驅體為甲烷。由於存在CO2，Si奈米粒子之表面部分氧化，從而形成催化活性之非化學計算量之氧化矽SiOx表層。相同方法描述於US 2015/0093648中。根據US 2014/0255500及EP 2689849 A1，石墨烯可在負載於多孔載體上之催化活性金屬粒子上製備。
本發明之目標為提供一種用於在絕緣或半導體基板上直接製備石墨烯，從而避免後續石墨烯自其上已製備有石墨烯之第一基板轉移至用於電子或光電應用之最終基板的方法。該方法應易於進行(例如，藉由公認標準設備而不需要專門調適之反應器設計)，且提供足夠高品質(例如，高透射率以及低薄層電阻、低ID/IG比)之石墨烯。
該目標藉由用於藉由化學氣相沉積(CVD)製備石墨烯之方法來解決，其中- 電絕緣或半導體無機基板提供於化學氣相沉積(CVD)反應器中，且在含氫氣氛圍中經歷熱預處理，- 藉由使氣態氧化劑及含碳前驅體與絕緣或半導體無機基板接觸，以將石墨烯沉積於絕緣或半導體無機基板上。
在本發明中，出人意料地意識到，若在石墨烯沉積步驟期間使用氣態氧化劑代替氫氣，則高品質(例如，高透射率以及低薄層電阻、低ID/IG比)之石墨烯可藉由CVD直接沉積於無機基板上，該無機基板為絕緣基板或半導體基板。在CVD步驟期間，使用氣態氧化劑與絕緣或半導體無機基板的組合出人意料地在標準CVD反應器中，甚至在低壓(LP-CVD)下提供高品質的石墨烯，而無氧化劑之氣體氛圍無法藉由LP-CVD在絕緣或半導體基板上製造石墨烯，如將進一步在下文之實施例中所展示。
特定言之，適當之絕緣或半導體無機基板為用於電子、光電或光學裝置之彼等基板。此類絕緣或半導體基板為熟諳此技藝者所已知。典型地，絕緣或半導體無機基板可為至少部分結晶的或可為非晶形的(亦即玻璃)。
較佳地，絕緣或半導體無機基板包含以下各者或可甚至由其組成：無機氧化物、無機硫化物、無機氮化物、無機磷化物、無機碳化物、無機鹵化物、元素半導體(諸如矽或鍺)或其混合物或組合。
可作為基板用於本發明方法之例示性無機玻璃包括例如SiO2玻璃，諸如熔融矽石(有時亦稱作「熔融石英」或「石英玻璃」)、藍寶 石玻璃、硼矽玻璃或鋁矽玻璃。然而，亦可使用其他無機玻璃。
若無機基板包含氧化物，則其可為例如SiO2、Al2O3、鈣鈦礦氧化物(亦即具有鈣鈦礦結構之氧化物，諸如SrTiO3)、HfO2、ZrO2、氧化銦錫、氧化鉬、氧化鎢、鉍鍶鈣銅氧化物或此等氧化物中之至少兩者之組合或混合物。
若無機基板包含無機硫化物，則其可為例如硫化鉬或硫化鎢。
若無機基板包含氮化物，則其可為例如Si3N4、BN、AlN或GaN或此等氮化物中之至少兩者之組合或混合物。
若無機基板包含無機磷化物，則其可為例如磷化銦。
若無機基板包含鹵化物，則其可為例如氟化物，諸如鹼土金屬氟化物(例如，CaF2、BaF2或SrF2)。
若無機基板包含碳化物，則其可為例如碳化矽。
若無機基板包含元素半導體，則其可為例如矽或鍺。
無機基板可包含化學計算量無機化合物，其為具有元素組成之化合物，其由化學計算量化合物之全部體積所平均化之比例可由整數表示。例示性化學計算量無機化合物為已在上文提及之彼等化合物，諸如SiO2、Al2O3(亦即化學計算量氧化物)、Si3N4(亦即化學計算量氮化物)及CaF2(亦即化學計算量氟化物)。
較佳地，絕緣或半導體基板由一或多種上文所描述之絕緣或半導體無機材料組成。
絕緣或半導體基板之形狀及尺寸可視吾人所需之電子或光 電應用而定。該基板可為平面基板。然而，非平面基板亦可用於本發明方法。較佳地，該基板為無孔的。
絕緣或半導體基板不為CVD反應器的一部分，但為安置於反應器腔(其反過來由反應器壁界定)內部之單獨組件。
由上文所描述之絕緣或半導體無機材料組成之基板為市售的，或可藉由通常已知方法製備。
視情況，絕緣或半導體基板安置於支撐構件上，其可在石墨烯製備過程期間僅充當臨時支撐件，或可替代性地表示鑒於吾人所需之電子或光電應用，已經專門選擇的永久支撐件。
作為可在其上施加基板之例示性支撐構件，可提及由半導體材料組成之支撐件，特定言之由半導體材料(諸如矽(Si))組成之晶圓。在一個例示性具體實例中，支撐構件由Si(例如，Si晶圓)組成，且施加於支撐構件上之基板由SiO2或Si3N4組成。然而，亦可使用其他支撐構件。僅作為一個實例的是，支撐構件可由第一絕緣或半導體無機材料(亦即上文所描述之彼等者中之一者)組成，在其上提供第二絕緣或半導體無機材 料(其中第一及第二無機材料彼此不同)，且充當用於石墨烯沉積之基板。
沉積有石墨烯之絕緣或半導體基板安置於化學氣相沉積(CVD)反應器中。此類CVD反應器為通常已知的。僅作為一個實例，CVD反應器可為熱壁反應器。然而亦可使用其他CVD反應器。較佳地，CVD反應器設計與低壓CVD相容(亦即LP-CVD反應器)。然而，本發明方法亦可在經設計用於大氣壓下之沉積之CVD反應器(AP-CVD反應器)中進行。
在本發明方法中，高品質之石墨烯可在不存在任何過渡金屬催化劑下獲得。因此，過渡金屬催化劑(特定言之含Cu或含Ni之金屬催化劑)可較佳不存在於CVD反應器中。特定言之，絕緣或半導體基板可較佳不與過渡金屬催化劑接觸。然而，在本發明方法中，過渡金屬催化劑亦有可能存在於CVD反應器中。
如上文所指示，在石墨烯沉積之前，絕緣或半導體無機基板在含氫氣氛圍中經歷熱預處理。含氫氣氛圍可由氫氣組成或可含有額外氣態組分。典型地，用於熱預處理之氣體氛圍之氫氣含量為至少30vol%，更佳至少50vol%，或至少70vol%。視情況，含氫氣體氛圍可包含惰性載氣(例如，惰性氣體)。大體上，熱預處理步驟之氣體氛圍可含有氧化劑。然而，在一個較佳具體實例中，氣態或超臨界氧化劑在無機基板之熱預處理期間不經饋入CVD反應器中。熱預處理之適當溫度範圍可易於由熟諳此技藝者調節。典型地，熱預處理包括在至少500℃之溫度下加熱無機基板。例示性溫度範圍為500℃至2500℃，更佳525℃至1500℃，甚至更佳550℃至1300℃，或700℃至1300℃，或700℃至1075℃。不同的加熱程序可用於無機基板之熱預處理。僅作為一個實例，基板可在恆定加熱速率下加熱直至達至 溫度T1，隨後溫度T1可在整個預處理步驟期間保持恆定或可在再次改變(增加或降低)之前暫時保持恆定。亦可使用其他加熱程序。
大體上，在熱預處理步驟期間，含碳前驅體可已存在於CVD反應器中。
可直接或間接加熱基板。僅作為一個實例，加熱基板可藉由將CVD反應器加熱至適當溫度來實現。
絕緣或半導體基板經歷熱預處理之時間段可在廣泛範圍內變化。僅作為一個實例，基板可經歷熱預處理至少15分鐘，更佳至少60分鐘或至少270分鐘。
對於支持後續石墨烯沉積步驟而言，石墨烯晶種材料可提供於絕緣或半導體基板上。石墨烯晶種材料可為例如外部製備之石墨烯或石墨烯氧化物(例如，經由化學或機械剝落、CVD…等製備)。較佳地，充當晶種材料之外部製備之石墨烯或石墨烯氧化物具有顯著小於絕緣或半導體基板的橫向尺寸。聚芳族烴(例如，聯伸三苯、苝、芘)亦可作為晶種材料用於促進石墨烯生長。充當晶種材料之此類聚芳族烴可藉由通常已知之方法(諸如旋塗)提供於基板上。然而，在本發明方法中，在石墨烯沉積步驟之前(亦即在使絕緣或半導體基板與氣態氧化劑及含碳前驅體化合物接觸之前)石墨烯晶種材料不安置於基板上的情況下，亦有可能製備高品質之石墨烯。
大體上，有可能在熱預處理步驟與石墨烯沉積步驟之間進行另一基板預處理步驟，諸如基板拋光或蝕刻步驟，或在基板上提供石墨烯晶種材料。或者，亦有可能石墨烯沉積步驟直接在熱預處理步驟之後。
如上文所指示，藉由使氣態氧化劑及含碳前驅體與無機基板接觸以將石墨烯沉積於絕緣或半導體無機基板上。
在本申請案中，術語「石墨烯(graphene)」不限於單層石墨烯，且亦涵蓋具有例如高達五十個石墨烯層、高達二十個石墨烯層或高達五個石墨烯層之多層石墨烯。
較佳地，存在於石墨烯沉積步驟中之氧化劑選自碳氧化物(特定言之CO2及CO)、含氮氧化物(特定言之NO、NO2、N2O)、H2O、O2、空氣及其任何混合物。更佳地，氣態氧化劑為CO2或CO或其混合物。視情況，氣態氧化劑可由載氣、較佳諸如惰性氣體或氮(N2)之惰性載氣稀釋。
用於石墨烯之CVD之適當含碳前驅體通常為熟諳此技藝者所已知。較佳地，含碳前驅體為烴化合物，其可為例如飽和或不飽和烴或芳族烴。視情況，烴化合物可含有官能基。烴化合物可為直鏈、分支鏈或環狀烴化合物。
可用作含碳前驅體化合物之較佳飽和烴具有式CxH2x+2，其中x=1-8，更佳為x=1-6，該較佳飽和烴為諸如甲烷、乙烷、丙烷或丁烷。
不飽和烴前驅體化合物可為烯烴或炔烴。較佳烯烴可具有式CxH2x，其中x=2至6，該較佳烯烴諸如乙烯、丙烯或丁烯。較佳炔烴為乙炔。作為例示性芳族烴化合物，可提及苯。
除含碳前驅體化合物(其較佳為烴化合物)及氣態氧化劑之外，其他氣態化合物亦可在石墨烯沉積步驟期間存在於CVD反應器中，該等氣態化合物諸如用於石墨烯之雜原子(例如，氮或硼)摻雜之化合物， 例如氨或胺或鹵化硼(例如，BCl3)。大體上，在石墨烯沉積步驟期間亦可存在氫氣。然而，在一個較佳具體實例中，氫氣在石墨烯沉積步驟期間未饋入CVD反應器中。
氣態氧化劑與含碳前驅體之體積比典型地在1/2至1/50、更佳1/5至1/20範圍內。氣態氧化劑與含碳前驅體之體積比可例如經由其饋入CVD反應器中之速率調節。
氣態氧化劑及含碳前驅體可藉由為熟諳此技藝者通常已知之方法饋入CVD反應器中。較佳地，氧化劑及前驅體儲存於CVD反應器外部之容器中，且隨後自外部容器饋入CVD反應器中。大體上，氧化劑或含碳前驅體可在儲存於外部容器中時已呈氣態形式。或者，當進入CVD反應器時(從而經受化學沉積腔室內部之溫度及壓力條件)，氧化劑或含碳前驅體有可能變為氣態。
在本發明方法中，氣態氧化劑或含碳前驅體(或兩者)亦有可能在CvD反應器中臨場產生。僅作為一個實例，氣態氧化劑(水蒸氣)可在CvD反應器中藉由使CO與H2反應臨場製備，如以下反應式所說明：CO+H2→H2O+C
進行石墨烯化學沉積之溫度TCVD可在廣泛範圍內變化。TCVD可為例如至少450℃、更佳至少525℃，甚至更佳至少700℃或至少950℃。上限可視CVD反應器壁材料之熱穩定性而定。適當溫度範圍可由熟諳此技藝者調節。例示性溫度範圍為500℃至2500℃、更佳550℃至1300℃、甚至更佳700℃至1300℃或950℃至1075℃。
CVD反應器中之溫度可藉由為熟諳此技藝者通常已知之方 法量測且控制。CVD反應器之適當加熱元件為熟諳此技藝者所已知。此外，熟諳此技藝者一般已知CVD反應器如何經設計，以用於藉由化學氣相沉積製備石墨烯。
在石墨烯沉積步驟期間，CVD反應器中所調節之壓力可在廣泛範圍內變化。如上文已提及，本發明方法適用於低壓CVD(LP-CVD)以及大氣壓CVD(AP-CVD)。
LP-CVD之適當反應器壓力例如在0.01至500mbar、更佳0.1至200mbar、甚至更佳1至50mbar或3至10mbar範圍內。
當完成石墨烯在沉積步驟中之生長時，隨後可使CVD反應器冷卻(例如，冷卻至室溫)。典型地，當冷卻CVD反應器時，停止饋送含碳前驅體。視情況，在冷卻的同時可繼續將氣態氧化劑饋入CVD反應器中。然而，在冷卻的同時停止氣態氧化劑饋送、且將一或多種其他氣體(諸如氫氣)饋入CVD反應器中亦為有可能的。
本發明進一步係關於一種包含絕緣或半導體無機基板及施加於其上之石墨烯之複合材料，該複合材料可藉由如上文所描述之方法獲得。
本發明進一步係關於一種用於製造電子、光電或光學裝置之方法，其中如上文所描述製備包含絕緣或半導體無機基板及施加於其上之石墨烯之複合材料，且將複合材料併入電子、光電或光學裝置中。在該製造方法中不需要將石墨烯自第一基板轉移至第二基板。
例示性裝置包括電容器、能量儲存裝置(諸如超級電容器)、場效電晶體、光伏裝置、發光二極體、透明電極等。
藉由以下實施例更詳細地描述本發明。
實施例
在以下實施例中，使用由石英玻璃製成的包含管形爐(10cm管直徑)之CVD腔室。
藉由質量流控制器控制氣體流量。經由Pfeiffer皮冉尼真空計(Pfeiffer vacuum Pirani gauge)量測壓力。
用NT-MDT NTEGRA光譜儀進行拉曼映射。以組合式AFM-拉曼量測結構或僅以拉曼結構量測樣本。兩種結構均使用100×光學物鏡，其中平均光斑尺寸為約1μm。所有量測中所使用之雷射波長為441.6nm。所使用之繞射光柵具有600線/公分，且在此激發波長下之光譜解析度為1cm-1。在所有量測期間，未觀測到拉曼雷射改變樣本組成(在聚焦過程期間，藉由隨時間反覆自單點監測光譜觀測)。使用標準洛仁子線形(Lorentzian line shape)進行擬合至G帶。典型地，在各樣品上進行40μm×40μm面積上之10×10資料點的3次拉曼映射。藉由盒狀圖之中間值確定ID/IG比。
藉由四點探針技術測定經沉積石墨烯膜之薄層電阻。
用由基板之影響校正之Perkin Elmer UV-Vis-NIR光譜儀Lambda 750測定光學透射率。
實施例1：
使用石英玻璃作為藉由CVD沉積石墨烯之基板。CVD方法之前，在超音波浴中、在丙酮及異丙醇中清洗玻璃基板，且用輕緩氬氣流吹乾。在將系統抽空至基礎壓力(<0.005mbar)及漏泄測試(<0.1mbar/h)後，在氫氣氛圍(氫氣50sccm，約0.1mbar)下使玻璃基板退火至1050℃ 之生長溫度。為避免溫度突增，將最後50℃之斜線上升自20K/min降低至10K/min。在CVD步驟之溫度，亦即1050℃下，將處理氣體切換成CH4(亦即含碳前驅體)及CO2(亦即氣態氧化劑)之混合物(CO2：CH4混合氣體；3：30sccm)。藉由下游之閥門控制反應器管中之壓力(5mbar)，調控旋轉泵之泵送速率。60分鐘反應時間後，在氫氣氛圍(氫氣50sccm，約0.1mbar)下使爐子冷卻。溫度曲線展示於圖1中。
在氣態氧化劑存在下，石墨烯藉由CVD步驟成功地沉積於玻璃基板上。獲得透明樣品。藉由拉曼光譜法特性化經沉積石墨烯。經量測拉曼光譜展示於圖2中。D峰與G峰之強度比(亦即ID/IG)為約0.6，其指示相對較低的缺陷數。
量測到2.8kΩ/sq之薄層電阻。石墨烯膜之透射率為83%。此展示於圖3中。因此，藉由本發明方法，有可能在絕緣基板上直接製備具有低薄層電阻及高透射率的石墨烯。
比較實施例1：
在比較實施例1中，使用與實施例1中相同之基板。在將系統抽空至基礎壓力(<0.005mbar)及漏泄測試(<0.1mbar/h)後，在氫氣氛圍(氫氣50sccm，約0.1mbar)下使玻璃基板退火至1050℃之生長溫度。為避免溫度突增，將最後50℃之斜度上升自20K/min降低至10K/min。在CVD步驟之溫度，亦即1050℃下，將處理氣體切換成CH4(亦即含碳前驅體)及氫氣之混合物(H2：CH4混合氣體；150：50sccm)。藉由下游之閥門控制反應器管中之壓力(5mbar)，調控旋轉泵之泵送速率。60分鐘反應時間後，在氫氣氛圍(氫氣50sccm，約0.1mbar)下使爐子冷卻。溫度曲線展 示於圖4中。
藉由在拉曼光譜中不存在典型特徵所指示，碳材料未沉積於玻璃基板上。因此，在不存在氣態氧化劑下，LP-CVD步驟無法在絕緣基板上提供石墨烯。
如藉由實施例1及比較實施例1所證實，出人意料地意識到，在沉積步驟期間使用氣態氧化劑代替氫氣的情況下，高品質之石墨烯可藉由CVD直接沉積於絕緣或半導體無機基板上。到目前為止，在CVD石墨烯沉積步驟期間，氣態氧化劑已與由可在一定程度上與氧化劑反應之催化活性材料組成之基板(例如，可形成反應性非化學計算量NiOx層之Ni基板，或可形成反應性非化學計算量SiOx層之Si奈米粒子)組合用於先前技術。在CVD步驟期間，預期由絕緣或半導體無機化合物(諸如SiO2、Al2O3或Si3N4)組成之基板對氣態氧化劑為相對惰性或不反應的，此反過來意謂預期氣態氧化劑與由含碳前驅體製備之石墨烯反應。然而，使用氣態氧化劑與絕緣或半導體基板的組合出人意料地在標準CVD反應器中甚至在低壓(LP-CVD)下提供高品質之石墨烯，而在CVD步驟期間，在不存在氣態氧化劑下，使用氫氣無法藉由LP-CVD在絕緣基板上製造石墨烯。
實施例2
重複實施例1。然而，使用藍寶石玻璃基板來代替石英玻璃基板，而所有其他方法參數與實施例1之方法參數相同。
在氣態氧化劑存在下，石墨烯藉由CVD步驟成功地沉積於絕緣基板上。獲得透明樣品。藉由拉曼光譜法特性化經沉積石墨烯。D峰與G峰之強度比(亦即ID/IG)為約0.4，其指示相對較低的缺陷數。
實施例3
重複實施例1。然而，使用Si晶圓上之SiO2膜(SiO2表示絕緣基板，且晶圓表示用於絕緣基板之支撐構件)來代替石英玻璃基板，而所有其他方法參數與實施例1之方法參數相同。
在氣態氧化劑存在下，石墨烯藉由CVD步驟成功地沉積於絕緣基板上。藉由拉曼光譜法特性化經沉積石墨烯。D峰與G峰之強度比(亦即ID/IG)為約0.5，其指示相對較低的缺陷數。

Claims (16)

  1. 一種用於藉由化學氣相沉積(CVD)製備石墨烯之方法，其中絕緣或半導體無機基板提供於化學氣相沉積(CVD)反應器中，且在含氫氣之氣體氛圍中經歷熱預處理，藉由使氣態氧化劑及含碳前驅體與該絕緣或半導體無機基板接觸，以將石墨烯沉積於該絕緣或半導體無機基板上。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該無機基板包含無機氧化物、無機硫化物、無機氮化物、無機磷化物、無機碳化物、無機鹵化物、元素半導體或其任何混合物或組合。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該無機氧化物為SiO2、Al2O3、鈣鈦礦氧化物、HfO2、ZrO2、氧化銦錫、氧化鉬、氧化鎢、鉍鍶鈣銅氧化物或此等氧化物中之至少兩者之組合或混合物；或其中該無機氮化物為Si3N4、BN、AlN或GaN或此等氮化物中之至少兩者之組合或混合物；或其中該無機鹵化物為氟化物；或其中該無機碳化物為碳化矽；或其中該元素半導體為矽或鍺。
  4. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該無機基板包含無機玻璃；其較佳為SiO2玻璃、藍寶石玻璃、硼矽玻璃或鋁矽玻璃。
  5. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該無機基板為平面基板。
  6. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該無機基板存在於支撐構件上。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該支撐構件為半導體材料之晶圓。
  8. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中過渡金屬催化劑不存在於 該CVD反應器中。
  9. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中晶種材料在該石墨烯沉積步驟之前施加於該無機基板上，該晶種材料較佳選自外部製備之石墨烯、外部製備之石墨烯氧化物或聚芳族烴。
  10. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中存在於該石墨烯沉積步驟中之該氣態氧化劑選自碳氧化物、含氮氧化物、H2O、O2、空氣及其任何混合物。
  11. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該含碳前驅體為烴化合物，其可為飽和或不飽和烴或芳族烴。
  12. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該氣態氧化劑與該含碳前驅體之體積比在1/2至1/50範圍內。
  13. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該氣態氧化劑及該含碳前驅體自外源饋入該CVD反應器中；或其中該氣態氧化劑及/或該含碳前驅體在該CVD反應器中較佳藉由使CO與H2反應臨場產生。
  14. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中在至少450℃之溫度TCVD下將該石墨烯沉積於該無機基板上。
  15. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中藉由低壓-CVD將該石墨烯沉積於該無機基板上。
  16. 一種用於製造電子、光電或光學裝置之方法，其中藉由如申請專利範圍第1項至第15項中任一項之方法獲得包含絕緣或半導體無機基板及施加於其上之石墨烯之複合材料，且該複合材料與其他組件一起組裝至該電子、光電或光學裝置。
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