本發(fā)明涉及金剛石復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

1、石墨烯是一種具有高導(dǎo)電率和遷移率且性能優(yōu)異的導(dǎo)體材料，這使得石墨烯在光電子感應(yīng)器件、儲能電池及石墨烯復(fù)合材料等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景，因而引起了科研學(xué)者們的廣泛關(guān)注和研究。

2、當(dāng)前，石墨烯的制備方法主要有機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長法等。其中化學(xué)氣相沉積法可以制備少層石墨烯，多制備在碳化硅、二氧化硅、銅合金等基材上。制備完成后為了減少基底材料干擾，再通過層轉(zhuǎn)移技術(shù)制備到硅或碳化硅基片上使用。然而轉(zhuǎn)移過程會(huì)對石墨烯的性能產(chǎn)生不利的影響，而且本身轉(zhuǎn)移技術(shù)的不穩(wěn)定性也會(huì)影響復(fù)合結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

3、金剛石是一種具有硬度高、摩擦系數(shù)小、禁帶寬、載流子遷移率高、場發(fā)射閾值低等優(yōu)異的物理性能的材料，同時(shí)還具有小尺寸效應(yīng)擁有大的比表面積和反應(yīng)活性。若將石墨烯與金剛石材料復(fù)合，可以很好的利用這兩種材料的優(yōu)勢，增強(qiáng)力學(xué)和電學(xué)性能，有利于實(shí)現(xiàn)金剛石和石墨烯在工程和功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前石墨烯與金剛石的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，石墨烯普遍呈垂直結(jié)構(gòu)生長在金剛石表面，其結(jié)構(gòu)可有效提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的比表面積，但這種結(jié)構(gòu)不適用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其是以片層結(jié)構(gòu)為主的芯片制備產(chǎn)業(yè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，以達(dá)到制備平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料，呈現(xiàn)導(dǎo)體或半導(dǎo)體特性的目的。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

4、(1)采用微波化學(xué)氣相沉積的方法，在單晶金剛石表面沉積金剛石薄膜，通過切片打磨的方法分別制備上下表面為(111)取向的單晶金剛石薄膜；

5、(2)利用微波等離子體技術(shù)，通過氫等離子處理單晶金剛石薄膜表面得到具有氫終端表面的單晶金剛石；

6、(3)在低真空環(huán)境下，通過熱絲加熱甲烷、氫氣的混合氣體，熱解產(chǎn)生石墨烯生長所需的碳原子，碳原子吸附在金剛石表面成核后二維重構(gòu)，最終得到平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料。

7、上述方案中，步驟(1)中，切片打磨后，制得的單晶金剛石薄膜表面具有原子級平整的單一晶面結(jié)構(gòu)。

8、上述方案中，步驟(1)中，切片打磨后，制得的單晶金剛石薄膜表面粗糙度小于1.5nm。

9、上述方案中，步驟(2)中，微波功率為3kw，單晶金剛石薄膜表面溫度500-600℃，氫氣流量為200sccm，氫化時(shí)間5分鐘。

10、上述方案中，步驟(3)中，所述低真空環(huán)境為壓力在1000-1800pa的環(huán)境。

11、上述方案中，步驟(3)中，熱絲功率為3000-5000w。

12、上述方案中，步驟(3)中，甲烷的通入流量為5-20sccm，氫氣的通入流量為100-300sccm。

13、上述方案中，步驟(3)中，石墨烯生長時(shí)間為10-25min。

14、通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法具有如下有益效果：

15、本發(fā)明用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法，以甲烷、氫氣混合氣體熱解產(chǎn)生碳源，在金剛石表面直接生長出具有平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)，金剛石高的禁帶寬度、透光率、導(dǎo)熱率以及穩(wěn)定性使其可直接作為后續(xù)的襯底使用，避免了石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)帶來的破壞。同時(shí)，本發(fā)明不同于目前已經(jīng)存在的石墨烯垂直生長在金剛石表面的情況。因在單晶金剛石薄膜制備打磨過程中，金剛石表面粗糙度小于1.5nm，結(jié)合其與石墨烯晶格高度匹配的(111)晶面，可實(shí)現(xiàn)石墨烯在金剛石表面高質(zhì)量的平行生長。

16、此外本發(fā)明中的石墨烯具有層數(shù)和堆疊方式可控的特點(diǎn)，因此所得到的石墨烯-金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為導(dǎo)體或半導(dǎo)體特性，在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)特征：

1.一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，切片打磨后，制得的單晶金剛石薄膜表面具有原子級平整的單一晶面結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，切片打磨后，制得的單晶金剛石薄膜表面粗糙度小于1.5nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，微波功率為3kw，單晶金剛石薄膜表面溫度500-600℃，氫氣流量為200sccm，氫化時(shí)間5分鐘。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述低真空環(huán)境為壓力在1000-1800pa的環(huán)境。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，熱絲功率為3000-5000w。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，甲烷的通入流量為5-20sccm，氫氣的通入流量為100-300sccm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯-金剛石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，石墨烯生長時(shí)間為10-25min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種平行結(jié)構(gòu)的石墨烯?金剛石復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：采用微波化學(xué)氣相沉積的方法，在單晶金剛石表面沉積金剛石薄膜，通過切片打磨的方法分別制備上下表面為(111)取向的單晶金剛石薄膜；利用微波等離子體技術(shù)，通過氫等離子處理單晶金剛石薄膜表面得到具有氫終端表面的單晶金剛石；在低真空環(huán)境下，通過熱絲加熱甲烷、氫氣的混合氣體，熱解產(chǎn)生石墨烯生長所需的碳原子，碳原子吸附在金剛石表面成核后二維重構(gòu)，最終得到平行結(jié)構(gòu)的石墨烯?金剛石復(fù)合材料。本發(fā)明所公開的方法避免了石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)帶來的破壞。該復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面可以表現(xiàn)出導(dǎo)體或半導(dǎo)體特性，在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)研發(fā)人員：張學(xué)宇,郭坤,蓋志剛,高源,王韶琰,王宜豹,姜辛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30