本發(fā)明涉及石墨烯，具體提供一種單晶石墨烯的制備方法。

背景技術(shù)：

1、石墨烯是由sp2雜化的碳原子周期性排列形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)二維材料，具有極其優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)特性(楊氏模量高達(dá)1060gpa，熱導(dǎo)率高達(dá)5000wm－1k－1，載流子遷移率高達(dá)200000cm2v－1s－1)。石墨烯的制備大體有機(jī)械剝離、氧化還原、化學(xué)氣相沉積等方法。機(jī)械剝離的石墨烯缺陷少、遷移率高，非常適合用于電子學(xué)領(lǐng)域，但是這種方法無法大規(guī)模制備石墨烯；氧化還原方法可批量制備石墨烯，但石墨烯缺陷多，只能用于催化、儲(chǔ)能等領(lǐng)域；化學(xué)氣相沉積法平衡了以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，石墨烯的產(chǎn)量大，通過生長工藝控制，可以制備質(zhì)量較高的石墨烯，載流子遷移率值可以滿足電子器件的要求。

2、為了進(jìn)一步提高化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的載流子遷移率，除了減少其點(diǎn)缺陷外，還應(yīng)減少其晶界，因?yàn)榫Ы鐚?duì)電子具有的強(qiáng)烈散射效應(yīng)。減少晶界即是要制備單晶石墨烯，主要有兩種路徑：(1)在單晶銅箔表面生長石墨烯，單晶銅箔表面銅原子具有相同的晶格取向，石墨烯在其上生長時(shí)，即使成核密度很高，因?yàn)榫哂邢嗤娜∠颍詈髸?huì)完好的拼接在一起，不會(huì)形成晶界，從而制備出單晶石墨烯；(2)抑制多晶銅箔表面石墨烯的成核密度，多晶銅箔上生長的石墨烯具有多種原子取向，各形核點(diǎn)長大相遇后，取向不同從而形成晶界，因此只能通過減少石墨烯的形核密度來制備大尺寸單晶石墨烯。然而，單晶銅箔比較昂貴，多晶銅箔表面主要通過提高氫氣或氧氣分壓來抑制石墨烯的成核密度，工藝流程要求嚴(yán)苛，均不適合大量制備單晶石墨烯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：提供一種簡單、可控的單晶石墨烯的制備方法，通過簡單的氧化和形成密閉空間步驟，即可大速率生長大尺寸單晶石墨烯。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、提供一種單晶石墨烯的制備方法，包括如下步驟：

4、步驟1、將金屬箔片在大氣中進(jìn)行氧化處理，在所述金屬箔片的表面形成氧化層，每平方毫米氧化層可提供的氧原子的數(shù)量為2.5＊1014～5＊1015個(gè)；

5、步驟2、將所述金屬箔片置于石墨烯生長容器中，將所述石墨烯生長容器置于氣氛加熱爐中；所述石墨烯生長容器為密閉容器，且開有進(jìn)氣孔和出氣孔，所述氣氛加熱爐中的氣氛能夠通過進(jìn)氣孔和出氣孔流經(jīng)所述石墨烯生長容器的內(nèi)腔；所述進(jìn)氣孔的總開孔面積和出氣孔的總開孔面積均為0.0075mm2～0.19mm2；

6、步驟3、所述氣氛加熱爐先抽真空，再通入氬氣和氫氣作為保護(hù)氣體后進(jìn)行加熱；

7、步驟4、所述氣氛加熱爐加熱至預(yù)設(shè)溫度后，在保持氬氣和氫氣作為保護(hù)氣體的條件下，通入甲烷氣體，甲烷流量為0.1sccm～10sccm；

8、步驟5、保持所述甲烷氣體通入時(shí)間為30s～30min，結(jié)束加熱和甲烷氣體的通入，待自然冷卻至室溫停止所述保護(hù)氣體的通入，完成單晶石墨烯的制備。

9、設(shè)置石墨烯生長容器的目的在于，一是限制氣氛加熱爐中的甲烷進(jìn)入石墨烯生長容器內(nèi)腔，降低金屬箔片表面的甲烷濃度，進(jìn)而抑制石墨烯的成核密度，有利于單晶石墨烯的生長；二是限制氧原子被真空泵抽出的速度，使得石墨烯生長容器內(nèi)腔保持較高的氧原子濃度，催化甲烷的分解，提高石墨烯制備效率。總開孔面積選取的原則是平衡石墨烯的成核密度和生長速率，開孔面積太小，會(huì)導(dǎo)致通入石墨烯生長容器內(nèi)腔的甲烷過少，氧原子濃度過高，石墨烯成核后難以快速長大，并且會(huì)被過量的氧原子刻蝕，從而難以制備出石墨烯；開孔面積太大，會(huì)導(dǎo)致通入石墨烯生長容器內(nèi)腔的甲烷過多，氧原子濃度過低，造成石墨烯成核密度太高，制備出多晶而非單晶石墨烯；只有當(dāng)開孔面積合適、甲烷和氧原子濃度相匹配時(shí)，才會(huì)使得石墨烯具有較低的成核密度，成核后快速長大，并且氧原子不會(huì)對(duì)已成核的石墨烯產(chǎn)生明顯的刻蝕效應(yīng)，只是有利于催化甲烷的分解，加快石墨烯的生長速率。

10、進(jìn)一步的，步驟3中抽真空的參數(shù)為：抽真空至低于10～1pa，通入氬氣和氫氣混合氣作為保護(hù)氣體，氣壓保持在1pa～常壓之間。

11、進(jìn)一步的，步驟4中加熱的預(yù)設(shè)溫度為1000℃～1075℃。更進(jìn)一步的，加熱的升溫速率為10℃/min～50℃/min。

12、進(jìn)一步的，甲烷氣體的通入時(shí)間為30s～10min。

13、進(jìn)一步的，所述金屬箔片為銅箔。

14、進(jìn)一步的，步驟1中形成氧化層的加熱溫度為50℃～400℃，時(shí)間為5min～300min。更進(jìn)一步的，所述氧化層厚度為5nm～100nm。

15、本發(fā)明形成的單晶石墨烯呈正方形，尺寸為0.1mm2～100mm2，生長速率為0.01mm2/min～10mm2/min。

16、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

17、1.使用多晶銅箔即可制備大尺寸單晶石墨烯，避免了單晶銅箔昂貴的問題。

18、2.銅箔使用酒精簡單擦拭后即可用于實(shí)驗(yàn)，避免了超聲清洗、酸洗、電解拋光等繁瑣步驟。

19、3.氧化和形成密閉空間步驟操作簡單、重復(fù)性好，可穩(wěn)定的生長單晶石墨烯，易于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種單晶石墨烯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種單晶石墨烯的制備方法，其特征在于：步驟3中抽真空的參數(shù)為：抽真空至低于10～1pa，通入氬氣和氫氣混合氣作為保護(hù)氣體，氣壓保持在1pa～常壓之間。

3.如權(quán)利要求1所述的一種單晶石墨烯的制備方法，其特征在于：步驟3中抽真空的參數(shù)為：步驟4中加熱的預(yù)設(shè)溫度為1000℃～1075℃。

4.如權(quán)利要求3所述的一種單晶石墨烯的制備方法，其特征在于：步驟3中抽真空的參數(shù)為：加熱的升溫速率為10℃/min～50℃/min。

5.如權(quán)利要求1所述的一種單晶石墨烯的制備方法，其特征在于：步驟3中抽真空的參數(shù)為：甲烷氣體的通入時(shí)間為30s～10min。

6.如權(quán)利要求1所述的一種單晶石墨烯的制備方法，其特征在于：步驟3中抽真空的參數(shù)為：所述金屬箔片為銅箔。

7.如權(quán)利要求1所述的一種單晶石墨烯的制備方法，其特征在于：步驟3中抽真空的參數(shù)為：步驟1中形成氧化層的加熱溫度為50℃～400℃，時(shí)間為5min～300min。

8.如權(quán)利要求7所述的一種單晶石墨烯的制備方法，其特征在于：步驟3中抽真空的參數(shù)為：所述氧化層厚度為5nm～100nm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種單晶石墨烯的制備方法，步驟中將所述金屬箔片置于石墨烯生長容器中，將所述石墨烯生長容器置于氣氛加熱爐中；所述石墨烯生長容器為密閉容器，且開有進(jìn)氣孔和出氣孔，所述氣氛加熱爐中的氣氛能夠通過進(jìn)氣孔和出氣孔流經(jīng)所述石墨烯生長容器的內(nèi)腔；所述進(jìn)氣孔的總開孔面積和出氣孔的總開孔面積均為0.0075mm<supgt;2</supgt;～0.19mm<supgt;2</supgt;；本發(fā)明使用多晶銅箔即可制備大尺寸單晶石墨烯，避免了單晶銅箔昂貴的問題。銅箔使用酒精簡單擦拭后即可用于實(shí)驗(yàn)，避免了超聲清洗、酸洗、電解拋光等繁瑣步驟。氧化和形成密閉空間步驟操作簡單、重復(fù)性好，可穩(wěn)定的生長單晶石墨烯，易于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：周海濤,羅飛,羅炳威,馬可欣,胡春文,王素杰,田青云
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國航發(fā)北京航空材料研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8