一種石墨烯制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石墨烯的制備方法，屬于信息材料【技術(shù)領(lǐng)域】，其目的在于提出一種新型的利用等離子體化學(xué)氣相沉積制備石墨烯的方法。其技術(shù)方案為：對拋光的襯底基片進(jìn)行清洗；在襯底基片上鍍金屬催化劑膜；將鍍有金屬催化劑膜的襯底基片放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中；向反應(yīng)腔中通入氫氣；啟動等離子球和加熱電源；預(yù)熱至500~900℃，通入碳源氣體，石墨烯開始生長；待石墨烯生長完成后，關(guān)閉加熱電源，關(guān)閉等離子體電源，對襯底基片降溫處理；冷卻至室溫后，取出襯底基片，采用刻蝕的方法去除金屬催化劑膜，得到石墨烯。主要用于石墨烯及其基于石墨烯器件的制造。
【專利說明】—種石墨烯制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及二維納米薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于催化劑的直接生長圖形化石墨烯制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯最早于2004年出現(xiàn)在實驗室中，當(dāng)時，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈?杰姆和克斯特亞?諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)可用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，即可將石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是石墨薄片越來越薄，最后，得到了僅由一層C原子構(gòu)成的石墨薄片，這就是石墨烯。從這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，但使用最多的方法主要有以下兩種:
化學(xué)氣相沉積CVD法:提供一種可控制備石墨烯的有效方法，它是將平面基底(如金屬薄膜、金屬單晶等)置于高溫可分解的前驅(qū)體(如甲烷、乙炔等)氣氛中，通過高溫裂解使C原子沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學(xué)腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨立的石墨烯片。如申請?zhí)枮?01210248653.2的發(fā)明專利公開了一種石墨烯的制備方法，包括以下步驟:提供潔凈基板，在基板上沉積或涂布催化劑，隨后倒置在化學(xué)氣相沉積設(shè)備內(nèi)，附有催化劑的一面朝向化學(xué)氣相沉積設(shè)備的底部，密封；向化學(xué)氣相沉積設(shè)備內(nèi)通入氫氣，保持10~30min,開始加熱；加熱至600~1100°C,通入含碳?xì)怏w,含碳?xì)怏w從化學(xué)氣相沉積設(shè)備的底部通往基板，保持10~300min后，停止加熱，停止通入含碳?xì)怏w，在氫氣保護(hù)下冷卻至室溫，停止通入氫氣，得到垂直于基板的石墨烯。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅(qū)體的流量等參數(shù)可調(diào)控石墨烯的生長，如生長速率、厚度、面積等，此方法的最大缺點在于獲得的片層與金屬襯底相互作用強(qiáng)，喪失了許多單層石墨烯的性質(zhì)，而且石墨烯的連續(xù)性不是很好。
[0003]熱分解SiC法:將單晶SiC加熱以通過使表面的SiC分解而除去Si，隨后殘留的C形成石墨烯。如申請?zhí)枮?01010256345.5的發(fā)明專利公開了一種在SiC襯底上外延生長石墨烯的方法以及由該方法制得的石墨烯和制備石墨烯器件的方法，該方法包括以下步:采用對SiC襯底圖形化的制備技術(shù)，在SiC襯底表面形成圖形陣列；對圖形化的SiC襯底進(jìn)行熱分解，在SiC襯底表面形成石墨烯。然而，SiC熱分解中使用的單晶SiC非常昂貴，而且生長出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，層數(shù)不均勻，而且做器件時由于光刻、干法刻蝕等工藝會使石墨烯的電子遷移率降低，從而影響了器件性能。
[0004]傳統(tǒng)方法制備的石墨烯都需要轉(zhuǎn)移到SiO2等基底上進(jìn)行測試或者進(jìn)行器件制備的后續(xù)工藝。轉(zhuǎn)移時需要先涂膠，涂膠過程中不僅很可能引入有機(jī)物雜質(zhì)，也有可能將空氣中的無機(jī)物雜質(zhì)引入；轉(zhuǎn)移過程中石墨烯完整性還容易破壞；為了實現(xiàn)圖形化的石墨烯，隨后還要將刻蝕工藝，可能引入刻蝕液中的離子雜質(zhì)，刻蝕也會導(dǎo)致石墨烯出現(xiàn)各種缺陷。所以傳統(tǒng)的工藝不僅復(fù)雜繁瑣，容易引入雜質(zhì)并且破壞石墨烯晶格的完整性。
[0005] 為了克服以上缺點，本發(fā)明采用一種化學(xué)氣相沉積方法直接在襯底上制備石墨烯，以在襯底上得到連續(xù)性好的單層或者多層石墨烯。本發(fā)明實現(xiàn)了在Si02襯底或者其他襯底上直接生長石墨烯，廢除了轉(zhuǎn)移這一道工序，能很好地降低了石墨烯破碎率；同時可以實現(xiàn)從納米尺度到厘米尺度的圖形化石墨烯生長，不需要對石墨進(jìn)行后續(xù)刻蝕工藝，可以很好地保證石墨烯結(jié)晶的完整性。得到石墨烯直接粘附在襯底上，可以用來進(jìn)行后續(xù)的工序，制成各種電子器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有石墨烯生長技術(shù)的不足，提出一種新型的利用等離子體化學(xué)氣相沉積直接在襯底上制備石墨烯的方法，以提高石墨烯表面的光滑度和連續(xù)性，降低孔隙率，并且能夠大面積生長，免除了在后續(xù)制造器件過程中要對石墨烯進(jìn)行刻蝕的工藝過程，保證石墨烯的電子遷移率不因刻蝕工藝而大大降低，最大限度提高器件性能。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種直接在襯底上制備石墨烯方法，其特征在于包括以下步驟:
(1)對拋光的襯底基片進(jìn)行清洗；
(2)在襯底基片上鍍金屬催化劑膜；
(3)將鍍有金屬催化劑膜的襯底基片放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中；
(4)向反應(yīng)腔中通入氫氣；
(5)啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備產(chǎn)生等離子球，啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的加熱電源對襯底基片進(jìn)行加熱；
(6)襯底基片預(yù)熱至50(T900°C，通入碳源氣體，石墨烯開始直接在襯底基片上生長；
(7)待石墨烯生長完成后終止碳源氣體通入，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備的加熱電源，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備停止產(chǎn)生等離子球，對襯底基片降溫處理至室溫，終止氫氣通入；
(8)襯底基片冷卻至室溫后，取出襯底基片，并采用刻蝕的方法去除金屬催化劑膜，得到石墨稀。
[0008]進(jìn)一步地，襯底基片為SiO2襯底基片、藍(lán)寶石襯底基片、石英襯底基片或SiC襯底基片。
[0009]進(jìn)一步地,步驟(2)中金屬催化劑膜的金屬材料為Cu、N1、Co、Fe中的一種或者Cu、N1、Co、Fe中的兩種或多種的合金。
[0010]進(jìn)一步地，金屬催化劑膜的厚度為3(T5000nm。
[0011]進(jìn)一步地，步驟(3)中化學(xué)氣相沉積設(shè)備為微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備、管式爐或者射頻化學(xué)氣相沉積設(shè)備。
[0012]進(jìn)一步地，步驟(6)中碳源氣體為甲烷、乙炔或者苯。
[0013]進(jìn)一步地，步驟(7)中，襯底基片降溫速度控制在0.1-50℃.s'
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明采用直接在襯底基片底面生長法，由于金屬催化劑膜的厚度很薄，甲烷在高溫催化劑的作用下分解成C原子和氫分子，C原子透過金屬催化劑膜后到達(dá)襯底(如SiO2)并在與金屬催化劑膜的交界面上在降溫的過程中結(jié)晶成膜，C原子與襯底基片的粘附性更強(qiáng)，C原子就會在襯底基片上形成石墨烯薄膜。本發(fā)明由于在襯底基片直接得到石墨烯，不需要在別的襯底上制備石墨烯之后再將制備好的石墨烯轉(zhuǎn)移到最終的襯底上，省去石墨烯轉(zhuǎn)移這一步驟，大大減少了工作量和石墨烯的破碎率，而且只要襯底基片表面平整，生長石墨烯孔隙率低，完整性強(qiáng)，質(zhì)量好，電子遷移率高。
[0015]下面結(jié)合生長原理示意圖(如圖1)簡要說明本發(fā)明中石墨烯的生長機(jī)理:(碳源氣體以甲烷為例)
石墨烯在金屬襯底上的生長大致可以分為3步:(I)初始階段，主要是碳?xì)浠衔锏姆纸猓?2)碳?xì)浠衔镌诖呋瘎┑淖饔孟路纸庑纬傻腃原子沉積在金屬催化劑膜表面，并且滲入金屬催化劑膜；(3)冷卻析出過程，C原子在金屬催化劑膜底部析出成大片石墨烯。
[0016]圖1中甲烷在高溫下C-H鍵斷裂，形成單一的C原子。甲烷脫氫后，C原子在金屬催化劑膜表面聚集，并且滲入金屬催化劑膜。C原子在金屬催化劑膜的下表面相互聚集，形成新的C-C鍵，開始成核長大的過程。
[0017]這一過程主要的熱力學(xué)驅(qū)動力為石墨烯狀態(tài)的C比表面其他狀態(tài)的C(如C氫化合物中的C、以及金屬表面吸附的C)的吉布斯自由能低。在成核的初期，有限大小的C團(tuán)簇的邊界處暴露的C配位不飽和，并且所占整個C團(tuán)簇中的比例較高，相應(yīng)的C團(tuán)簇不穩(wěn)定，吉布斯形成能較高；隨著團(tuán)簇尺寸的進(jìn)一步增加，邊界C原子所占的比例逐步降低，內(nèi)部石墨烯C的比例逐漸增加，相應(yīng)的吉布斯形成能會漸漸降低。吉布斯形成能從吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧崴鶎?應(yīng)的C團(tuán)簇被稱為臨界晶核(critical nucleus),相應(yīng)的尺寸即為臨界晶核尺寸(critical nucleus size)。本發(fā)明由于底部先冷卻,在冷卻過程中,催化劑層底部的溫度低，優(yōu)先在催化劑層底部成核，并且催化劑層是蒸鍍的，形成的催化劑膜平滑完整，形成的晶核缺陷小。在石墨烯生長過程中，可能在襯底上多個地方成核。當(dāng)晶核數(shù)目增加到一定濃度時，后續(xù)原子擴(kuò)散一個較短的距離就可以附著到晶核上，從而使晶核不斷長大。然后，這些晶核最終會合并到一起，長成大片的石墨烯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明石墨烯生長前示意圖；
圖2為本發(fā)明中石墨烯的Raman光譜圖；
圖3為本發(fā)明中石墨烯的實物圖；
其中，附圖標(biāo)記為:1 一碳?xì)浠衔铩?—氫分子、3—碳原子、4一金屬催化劑膜、5—襯底基片、6—結(jié)晶析出的石墨烯、7—金屬催化劑膜和襯底基片的交界面、8—未鍍催化劑的區(qū)域、9 一生長有石墨烯的區(qū)域(同時也是鍍了催化劑的區(qū)域)。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
實施例一
本實施例是在SiO2襯底基片上鍍由金屬材料Cu制成的金屬催化劑膜制備石墨烯。
[0020]第一步:對拋光的SiO2襯底基片進(jìn)行清洗
依次用氨水和雙氧水、鹽酸和雙氧水的混合溶液對拋光的SiO2襯底基片進(jìn)行清洗,其清洗步驟分兩階段:
第一階段:將NH4OH, H2O2, H2O按摩爾比1:2:5配成溶液，將SiO2襯底基片置于該溶液中，浸泡f 15分鐘，本實施例選擇浸泡2分鐘，2分鐘后再用去離子水反復(fù)沖洗后烘干，以去除SiO2襯底基片表面的有機(jī)殘留物；
第二階段:將HCl、H2O2, H2O按摩爾比1:2:8配成溶液，將去除表面有機(jī)殘留物的SiO2襯底基片置于該溶液中，浸泡廣15分鐘，本實施例選擇浸泡2分鐘，2分鐘后再用去離子水反復(fù)沖洗后烘干SiO2襯底基片，以去除離子污染物。
[0021]第二步:在SiO2襯底基片上鍍金屬催化劑膜
將清洗好的SiO2襯底基片放入真空鍍膜機(jī)中，在SiO2襯底基片上鍍上一層3(T5000nm的金屬催化劑膜，本實施例中金屬催化劑膜的厚度為lOOOnm，該金屬催化劑膜的金屬材料為Cu。
[0022]第三步:將鍍有金屬催化劑膜的SiO2襯底基片放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中 將鍍有Cu金屬催化劑膜的SiO2襯底基片放在化學(xué)氣相沉積設(shè)備的樣品臺上，關(guān)閉反
應(yīng)腔的腔門，開啟機(jī)械泵，將反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓抽至低真空，開啟微波功率電源。
[0023]第四步:向反應(yīng)腔中通入氫氣
通過氣體通道向反應(yīng)腔中通入H2，且反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，該設(shè)定值的范圍為5~50mbar。
[0024]第五步:啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備產(chǎn)生等離子球，啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的加熱電源，對SiO2襯底基片進(jìn)行加熱
調(diào)節(jié)微波等離子體至 設(shè)定功率，該設(shè)定功率的范圍值為10(T5000W，啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備中等離子體電源產(chǎn)生等離子球；開啟化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的加熱電源，對SiO2襯底基片進(jìn)行加熱。
[0025]第六步=SiO2襯底基片預(yù)熱至50(T90(TC，通入碳源氣體，石墨烯開始直接在SiO2襯底基片上生長
SiO2襯底基片預(yù)熱至50(T900°C，本實施例選取預(yù)熱至600°C，當(dāng)SiO2襯底基片預(yù)熱至600°C后，通入碳源氣體甲燒，石墨稀開始直接在SiO2襯底基片上生長。
[0026]第七步:石墨烯生長
石墨烯生長f30min后，石墨烯生長完成，關(guān)閉碳源氣體甲烷，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備中微波等離子體電源，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備的加熱電源，對SiO2襯底基片降溫處理至室溫，且控制反應(yīng)腔的溫度下降速率使SiO2襯底基片的溫度下降速率在0.1~50 /s區(qū)間內(nèi)，本實施例中溫度下降速率為5°C /s ;待SiO2襯底基片冷卻至室溫后，終止氫氣通入。
[0027]第八步:3102襯底基片冷卻至室溫后，取出SiOdf底基片，并采用刻蝕的方法去除金屬催化劑膜，得到石墨烯
SiO2襯底基片冷卻至室溫后，所述室溫為15°C~30°C，將SiO2襯底基片取出，將其放置在Cu刻蝕液中腐蝕掉表面的Cu金屬催化劑膜，再用去離子水反復(fù)清洗SiO2襯底基片，從而得到粘附在SiO2襯底基片表面上的高質(zhì)量的石墨烯，如圖1所示，其拉曼光譜如圖2所示。
[0028]實施例二
本實施例是在SiC襯底基片上鍍由金屬材料Ni制成的金屬催化劑膜制備石墨烯。
[0029]第一步，在SiC襯底基片上制備一層SiO2絕緣層，當(dāng)然根據(jù)需要該步驟可以省略。
[0030]第二步:對SiC進(jìn)行RCA清洗，以去除樣品表面有機(jī)和無機(jī)化學(xué)污染物，步驟與實施例一中的第一步相同。
[0031]第三步:在SiC襯底基片上鍍Ni金屬催化劑膜。[0032]將清洗好的SiC襯底基片放入真空鍍膜機(jī)中，在SiC襯底基片上鍍一層5(T2000nm的Ni金屬催化劑膜，本實施例中該金屬催化劑膜的厚度為1500nm。
[0033]第四步:生長石墨烯薄膜。
[0034]將鍍有Ni金屬催化劑膜的SiC襯底基片放在石墨烯生長設(shè)備的樣品臺上，該石墨烯生長設(shè)備為射頻化學(xué)氣相沉積設(shè)備，關(guān)閉反應(yīng)腔的腔門，開啟機(jī)械泵，將反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓抽至低真空，開啟微波功率電源，通入氫氣，反應(yīng)腔氣壓控制在設(shè)定值，調(diào)節(jié)微波等離子體至設(shè)定功率，啟動等離子體電源產(chǎn)生等離子體。開啟加熱電源，對SiC襯底基片進(jìn)行加熱。
[0035]加熱一段時間后，溫度到達(dá)設(shè)定值，通入碳源氣體乙炔，石墨烯生長ClOmin，本實施例中石墨烯的生長時間為9min，石墨烯生長完成后關(guān)閉碳源氣體乙炔，關(guān)閉微波等離子體電源，關(guān)閉加熱電源，SiC襯底基片降溫處理至室溫，控制SiC襯底基片的溫度下降速率在0.1-50℃ /s區(qū)間內(nèi)，本實施例中下降速度為15°C /S。
[0036]SiC襯底基片冷卻至室溫后，所述室溫為15°C~30°C，將SiC襯底基片取出，將其放置在Ni刻蝕液中腐蝕掉表面的Ni，再用去離子水反復(fù)清SiC襯底基片，即可以得到高質(zhì)量的石墨烯。其余部分與實施例一相同或相似。
[0037]實施例三
本實施例是在藍(lán)寶石襯底基片上鍍由金屬材料Cu-Ni合金制成的金屬催化劑膜制備石墨烯。
[0038]第一步:對拋光的襯底基片進(jìn)行清洗
依次用氨水和雙氧水、鹽酸和雙氧水的混合溶液對拋光的藍(lán)寶石襯底基片進(jìn)行清洗，其清洗步驟分兩階段:
第一階段:將NH4OH, H2O2, H2O按摩爾比1:3:5配成溶液，將SiO2襯底基片置于該溶液中，浸泡f 15分鐘，本實施例選擇浸泡8分鐘，8分鐘后再用去離子水反復(fù)沖洗后烘干，以去除監(jiān)寶石襯底基片表面的有機(jī)殘留物；
第二階段:將HCl、H2O2, H2O按摩爾比1:3:7配成溶液，將去除表面有機(jī)殘留物的藍(lán)寶石襯底基片置于該溶液中，浸泡廣15分鐘，本實施例選擇浸泡8分鐘，8分鐘后再用去離子水反復(fù)沖洗后烘干SiO2襯底基片，以去除離子污染物。
[0039]第二步:在藍(lán)寶石襯底基片上鍍合金金屬催化劑膜
將清洗好的藍(lán)寶石襯底基片放入真空鍍膜機(jī)中，在藍(lán)寶石襯底基片上鍍一層2000nm的金屬催化劑膜，該金屬催化劑膜的金屬材料為Cu-Ni合金。
[0040]第三步:將鍍有金屬催化劑膜的藍(lán)寶石襯底基片放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中
將鍍有Cu-Ni金屬催化劑膜的藍(lán)寶石襯底基片放在化學(xué)氣相沉積設(shè)備的樣品臺上，該化學(xué)氣相沉積設(shè)備選用管式爐，關(guān)閉反應(yīng)腔的腔門，開啟機(jī)械泵，將反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓抽至低真空，開啟微波功率電源。
[0041]第四步:向反應(yīng)腔中通入氫氣
通過氣體通道向反應(yīng)腔中通入氫氣，且反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓控制在5~50mbar。
[0042]第五步:啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備產(chǎn)生等離子球，啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的加熱電源，對藍(lán)寶石襯底基片進(jìn)行加熱
調(diào)節(jié)微波等離子體至設(shè)定功率，該設(shè)定功率的范圍值為10(T5000W，啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備中等離子體電源產(chǎn)生等離子球；開啟化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的加熱電源，對藍(lán)寶石襯底基片進(jìn)行加熱。
[0043]第六步:藍(lán)寶石襯底基片預(yù)熱至50(T90(TC，通入碳源氣體苯，石墨烯開始直接在藍(lán)寶石襯底基片上生長
藍(lán)寶石襯底基片預(yù)熱至50(T900°C，本實施例選取預(yù)熱至800°C，當(dāng)藍(lán)寶石襯底基片預(yù)熱至80(TC后，通入碳源氣體苯，石墨烯開始直接在藍(lán)寶石襯底基片上生長。
[0044]第七步:石墨烯生長
石墨烯生長f 30min后，石墨烯生長完成，關(guān)閉碳源氣體苯，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備中微波等離子體電源，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備的加熱電源，對藍(lán)寶石襯底基片降溫處理至室溫，所述室溫為15°C~30°C，且控制反應(yīng)腔的溫度下降速率使藍(lán)寶石襯底基片的溫度下降速率在0.1-50℃ /s區(qū)間內(nèi)，本實施例中溫度下降速率為25°C /s ;待藍(lán)寶石襯底基片冷卻至室溫后，終止氫氣通入。
[0045]第八步:藍(lán)寶石襯底基片冷卻至室溫后，取出藍(lán)寶石襯底基片，并采用刻蝕的方法去除金屬催化劑膜，得到石墨烯 藍(lán)寶石襯底基片冷卻至室溫后，將藍(lán)寶石襯底基片取出，將其放置在Cu、Ni刻蝕液中腐蝕掉表面的Cu-Ni金屬催化劑膜，再用去離子水反復(fù)清洗藍(lán)寶石襯底基片，從而得到粘附在藍(lán)寶石襯底基片表面上的高質(zhì)量的石墨烯，如圖2所示，其拉曼光譜如圖3所示。
[0046]實施例四
本實施例是在石英襯底基片上鍍由金屬材料Co-Fe合金制成的金屬催化劑膜制備石墨稀。
[0047]第一步:對拋光的石英襯底基片進(jìn)行清洗
依次用氨水和雙氧水、鹽酸和雙氧水的混合溶液對拋光的石英襯底基片進(jìn)行清洗，其清洗步驟分兩階段:
第一階段:將NH40H、H2O2, H2O按摩爾比1:2:6配成溶液，將石英襯底基片置于該溶液中，浸泡f 15分鐘，本實施例選擇浸泡12分鐘，12分鐘后再用去離子水反復(fù)沖洗后烘干，以去除石英襯底基片表面的有機(jī)殘留物；
第二階段:將HCl、H2O2, H2O按摩爾比1:2:9配成溶液，將去除表面有機(jī)殘留物的石英襯底基片置于該溶液中，浸泡廣15分鐘，本實施例選擇浸泡12分鐘，12分鐘后再用去離子水反復(fù)沖洗后烘干反應(yīng)腔，以去除離子污染物。
[0048]第二步:在石英襯底基片上鍍合金金屬催化劑膜
將清洗好的石英襯底基片放入真空鍍膜機(jī)中，在石英襯底基片上鍍兩層2000nm的金屬催化劑膜，該金屬催化劑膜的金屬材料為Co-Fe合金。
[0049]第三步:將鍍有金屬催化劑膜的石英襯底基片放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中 將鍍有Co-Fe金屬催化劑膜的石英襯底基片放在化學(xué)氣相沉積設(shè)備的樣品臺上，該化
學(xué)氣相沉積設(shè)備選用管式爐，關(guān)閉反應(yīng)腔的腔門，開啟機(jī)械泵，將反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓抽至低真空，開啟微波功率電源。
[0050]第四步:向反應(yīng)腔中通入氫氣
通過氣體通道向反應(yīng)腔中通入氫氣，且反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓控制在5~50mbar。
[0051]第五步:啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備產(chǎn)生等離子球，啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的加熱電源，對石英襯底基片進(jìn)行加熱
調(diào)節(jié)微波等離子體至設(shè)定功率，該設(shè)定功率的范圍值為10(T5000W，啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備中等離子體電源產(chǎn)生等離子球；開啟化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的加熱電源，對石英襯底基片進(jìn)行加熱。
[0052]第六步:石英襯底基片預(yù)熱至50(T900°C,通入碳源氣體苯,石墨烯開始直接在石英襯底基片上生長
石英襯底基片預(yù)熱至50(T90(TC，本實施例選取預(yù)熱至900°C，當(dāng)石英襯底基片預(yù)熱至900°C后，通入碳源氣體苯，石墨烯開始直接在石英襯底基片上生長。
[0053]第七步:石墨烯生長
石墨烯生長f 30min后，石墨烯生長完成，關(guān)閉碳源氣體苯，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備中微波等離子體電源，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備的加熱電源，對石英襯底基片降溫處理至室溫，所述室溫為15°C~30°C，且控制反應(yīng)腔的溫度下降速率使石英襯底基片的溫度下降速率在
0.1~50 /s區(qū)間內(nèi)，本實施例中溫度下降速率為45°C /s ;待石英襯底基片冷卻至室溫后，終止氫氣通入。
[0054]第八步:石英襯底基片冷卻至室溫后，取出石英襯底基片，并采用刻蝕的方法去除金屬催化劑膜，得到石墨烯
石英襯底基片冷卻至室溫后，將石英襯底基片取出，將其放置在Co、Fe刻蝕液中腐蝕掉表面的Co-Fe金屬催化劑膜，再用去離子水反復(fù)清洗石英襯底基片，從而得到粘附在石英襯底基片表面上的高質(zhì)量的石墨烯，如圖2所示，其拉曼光譜如圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種在襯底上制備石墨烯制備方法，其特征在于，石墨烯直接生長在所需要的襯底上，并包括以下步驟: (1)對拋光的襯底基片進(jìn)行清洗； (2)在襯底基片上鍍金屬催化劑膜； (3)將鍍有金屬催化劑膜的襯底基片放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中； (4)向反應(yīng)腔中通入氫氣； (5)啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備產(chǎn)生等離子球，啟動化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的加熱電源對襯底基片進(jìn)行加熱； (6)襯底基片預(yù)熱至500-900°C，通入碳源氣體，石墨烯開始直接在襯底基片上生長； (7)待石墨烯生長完成后終止碳源氣體通入，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備的加熱電源，關(guān)閉化學(xué)氣相沉積設(shè)備停止產(chǎn)生等離子球，對襯底基片降溫處理至室溫，終止氫氣通入； (8)襯底基片冷卻至室溫后，取出襯底基片，并采用刻蝕的方法去除金屬催化劑膜，得到石墨稀。
2.如權(quán)利要求1所述的一種直接在襯底上生長石墨烯制備方法，其特征在于:直接生產(chǎn)石墨烯的襯底基片為SiO2襯底基片、藍(lán)寶石襯底基片、石英襯底基片或SiC襯底基片。
3.如權(quán)利要求1所述的一種直接在襯底上制備石墨烯的方法，其特征在于:步驟(2)中金屬催化劑膜的金屬材料為Cu、N1、Co、Fe中的一種或者Cu、N1、Co、Fe中的兩種或多種的I=1-Wl O
4.如權(quán)利要求3所述的一種石墨烯制備方法，其特征在于:金屬催化劑膜的厚度為30~5000nm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯制備方法，其特征在于:步驟(3)中化學(xué)氣相沉積設(shè)備為微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備、管式爐或者射頻化學(xué)氣相沉積設(shè)備。
6.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯制備方法，其特征在于:步驟(6)中碳源氣體為甲燒、乙炔或者苯。
7.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯制備方法，其特征在于:步驟(7)中，襯底基片降溫速度控制在0.1~50。。.S—1。
【文檔編號】C23C16/26GK103981507SQ201410214108
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】陳澤祥, 曾愈鞏, 謝紫開 申請人:電子科技大學(xué)