一種控制石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種控制石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是碳原子基于sP2雜化組成的六角蜂巢狀結(jié)構(gòu)，僅一個(gè)原子層厚的二維晶體。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov等人發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的單層石墨稀，也因其在石墨烯方面的開創(chuàng)性工作而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近年來(lái)，石墨烯在微電子、量子物理、材料、化學(xué)等領(lǐng)域都表現(xiàn)出許多令人振奮的性能和潛在的應(yīng)用前景，吸引了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。石墨烯具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性質(zhì)。石墨烯常溫下的電子迀移率超過(guò)15000cm2/V.s，超過(guò)碳納米管和硅晶體，而電阻率只約10—6 Ω.cm，比銅或銀的更低，是目前世上電阻率最小的材料。而其高達(dá)97.7%的全波段透光率是其他導(dǎo)電材料難以匹敵的。
[0003]目前工業(yè)上普遍采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法作為制備大面積石墨烯的方法。但是對(duì)于石墨烯質(zhì)量，例如組成石墨烯薄膜的晶核大小、晶核密度、石墨烯薄膜的層數(shù)等都難以控制，從而導(dǎo)致石墨烯薄膜整體的電學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。本發(fā)明公開了一種控制石墨烯生長(zhǎng)的載具及石墨烯生長(zhǎng)方法，在石墨烯成核階段控制成核密度，從而實(shí)現(xiàn)大晶籌高質(zhì)量石墨烯的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種控制石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具。解決了現(xiàn)有方法在生長(zhǎng)過(guò)程中晶籌不可控造成的石墨烯薄膜晶核過(guò)小，密度過(guò)大造成缺陷的問(wèn)題，從而制備出高質(zhì)量大晶籌的石墨烯薄膜。
[0005]本發(fā)明涉及的一種控制石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具，是一種耐高溫的載具，包括上蓋、盒子和用于生長(zhǎng)石墨烯的平直的金屬基底，上蓋上開有小孔，上蓋和盒子均由石墨、石英、氮化硅或碳化硅等熔點(diǎn)大于1000攝氏度的耐高溫材料制成;上蓋下表面為平直的，盒子包括底座和四周的圍壁，盒子上端開口，底座為平的底壁;金屬基底大小小于底座的大小，用于生長(zhǎng)石墨烯的平直的金屬基底放置于盒子的底座上后金屬基底與蓋在盒子上的上蓋下表面距離小于等于2mm;盒子四周的圍壁等高，上蓋和盒子四周的圍壁的上邊緣貼合;載具的尺寸與CVD管式爐的石英管的管徑大小匹配，可將包含金屬基底的載具一起放入石英管內(nèi)進(jìn)行石墨烯生長(zhǎng)。
[0006]進(jìn)一步的，所述小孔直徑為0.5?2mm。
[0007]進(jìn)一步的，所述小孔數(shù)目可以是單孔、或者多孔、或者多孔陣列。
[0008]進(jìn)一步的，所述金屬基底可以為銅箔、Ru、N1、Ir或Pt中的一種或者兩種的合金。
[0009]進(jìn)一步的，所述蓋子在四周有圍壁，下端開口，蓋子的圍壁在盒子的圍壁的內(nèi)側(cè)或外側(cè)與其相貼合，蓋子的圍壁的高度可以大于、等于或小于盒子圍壁的高度。
[0010]進(jìn)一步的，所述蓋子和盒子的底座為圓形，蓋子在圍壁開口端的外側(cè)或內(nèi)側(cè)上有螺紋卡合的螺紋，相應(yīng)的盒子的圍壁開口端的內(nèi)側(cè)或外側(cè)有相貼合的螺紋卡合的螺紋。
[0011]進(jìn)一步的，所述上蓋和底座的形狀可以為方形、圓形、橢圓形、梯形等形狀。
[0012]本發(fā)明的一種控制石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具，使用方法如下:
[0013]該方法通過(guò)使用上述任一載具制備石墨烯，包括以下步驟:
[OOM]步驟一:金屬基底預(yù)處理
[0015]金屬基底用乙醇和丙酮超聲清洗，再放入稀硝酸中清洗；
[0016]步驟二:金屬基底退火
[0017]將金屬基底放入權(quán)利要求1所述的載具內(nèi)，蓋上上蓋I，將載具和金屬基底2—并放入CVD管式爐中，在H2流速為50?200sccm，壓強(qiáng)為20?lOOPa，溫度為900?1050°C條件下退火，退火時(shí)間大于30分鐘；
[0018]步驟三:石墨烯成核
[0019]金屬基底在載具內(nèi)，在H2流速為100?200sccm，通入0.1?3sccm的CH4，壓強(qiáng)控制為10?50Pa，成核時(shí)間5?10分鐘。
[0020]步驟四:冷卻
[0021 ] CVD管式爐停止通入CH4，并停止加熱，在H2氣中降溫度降至室溫。
[0022]步驟五:氧化
[0023]將金屬基底2放在加熱臺(tái)上，在140°C_180°C下加熱1-3分鐘，使未長(zhǎng)有石墨烯晶籌的部分氧化。
[0024]本發(fā)明方法通過(guò)控制進(jìn)氣方式和參數(shù)，達(dá)到控制局部晶核個(gè)數(shù)目的，生長(zhǎng)出大面積單晶籌，主要分為5個(gè)過(guò)程，包括金屬基底預(yù)處理、金屬基底退火、石墨烯成核、冷卻和氧化過(guò)程。每個(gè)步驟對(duì)石墨烯的單晶核形成都非常重要。預(yù)處理清洗金屬基底會(huì)清除金屬基底表面的工業(yè)殘留雜質(zhì)，使金屬基底平整，有利于成核階段降低晶籌密度，保證生長(zhǎng)環(huán)境的清潔。載具的開孔大小對(duì)反應(yīng)氣體的起到限流作用，可以控制石墨烯在金屬基底上的成核區(qū)域和成核密度。金屬基底退火讓金屬基底在氫氣環(huán)境下去除表面氧化物，使金屬基底重結(jié)晶，形成和石墨烯晶格匹配的晶向。成核階段通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)分氣的氣流、溫度和壓強(qiáng)，控制成核密度和晶籌大小。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn):1.控制石墨烯晶核形成區(qū)域:通過(guò)開孔載具，控制氣流在金屬基底表面的分布，是石墨烯只在金屬基底表面靠近開口處形成石墨烯晶核，遠(yuǎn)離開口處無(wú)石墨烯晶核形成。2.通過(guò)開孔大小和各種生長(zhǎng)參數(shù)控制減小石墨烯的成核密度;開孔大小對(duì)反應(yīng)氣體的起到限流作用，氣流從進(jìn)氣口至遠(yuǎn)離進(jìn)氣口的位置成梯度分布，可以控制石墨烯在金屬基底上的成核區(qū)域和成核密度;載具的開孔數(shù)目可以是單孔、或者多孔、或者多孔陣列等，取決于對(duì)石墨烯晶核的分布要求，單孔對(duì)應(yīng)石墨烯單晶核，多孔對(duì)應(yīng)石墨烯多晶核生長(zhǎng)。3.通過(guò)CVD管式爐控制氣體比例和壓強(qiáng)使石墨烯單晶面積長(zhǎng)大。
【附圖說(shuō)明】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖:
[0027]圖1為實(shí)施例1中石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具側(cè)視示意圖；
[0028]圖2為實(shí)施例1石墨稀晶核生長(zhǎng)的載具俯視不意圖；
[0029]圖3為實(shí)施例2石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具俯視示意圖；[OO3O]圖4為實(shí)施例4中石墨稀晶核生長(zhǎng)的載具側(cè)視不意圖；
[0031 ]圖5為實(shí)施例5中石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具側(cè)視示意圖；
[0032]圖6為實(shí)施例6中石墨稀晶核生長(zhǎng)的載具側(cè)視不意圖；
[0033]圖7為實(shí)例7中銅箔上的石墨烯晶核的光學(xué)顯微鏡圖片；
[0034]圖8為實(shí)例8中銅箔上的石墨烯晶核的光學(xué)顯微鏡圖片；
[0035]圖9為實(shí)例8中制備出的石墨烯晶核處在銅箔上的拉曼光譜圖；
[0036]以上附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下:
[0037]I為上蓋;2為金屬基底;3為底座;4為小孔;5為氣流方向；6為螺紋。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0039]實(shí)施例1
[0040]—種控制石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具，如圖1和圖2所示，是一種耐高溫的石墨載具，包括上蓋1、盒子和用于生長(zhǎng)石墨烯的平直的金屬基底2，金屬基底2為銅箔，金屬基底大小小于底座的大小，上蓋上開有I個(gè)小孔4，小孔直徑為0.5mm，上蓋和盒子均由石墨制成;上蓋下表面為平直的，盒子包括底座3和四周的圍壁，盒子上端開口，底座3為平的底壁，用于生長(zhǎng)石墨烯的平直的金屬基底放置于盒子的底座上后金屬基底與蓋在盒子上的上蓋下表面距離為2mm，盒子四周的圍壁等高，上蓋和盒子四周的圍壁的上邊緣貼合;載具的尺寸與CVD管式爐的石英管的管徑大小匹配。對(duì)于直徑Φ 50mm的CVD管式爐的石英管，載具的底座可為40mm X 60mm長(zhǎng)方形，由厚度3mm石英制成，總體高度8_，可將包含金屬基底的載具一起放入石英管內(nèi)進(jìn)行石墨烯生長(zhǎng)。氣體沿氣流方向5從小孔4進(jìn)入載具中。
[0041]在以上實(shí)施例中，石英、氮化硅或碳化硅等熔點(diǎn)大于1000攝氏度的耐高溫材料可以替代石墨制作上蓋和盒子。小孔直徑可為0.5?2_中任一值替代0.5_，小孔數(shù)目可以多孔或者多孔陣列中任一方式替代I個(gè)小孔。金屬基底可以為銅箔、Ru、N1、Ir或Pt中的一種或者兩種的合金替代銅箔。載具可為方形、圓形、橢圓形、梯形等任一形狀替代長(zhǎng)方形。對(duì)于直徑Φ50πιπι的CVD管式爐的石英管，載具的尺寸與CVD管式爐的石英管的管徑大小匹配，可將包含金屬基底的載具一起放入石英管內(nèi)進(jìn)行石墨稀生長(zhǎng)即可，40mm X 60mm長(zhǎng)方形、厚度3mm、總體高度8mm只是其中一個(gè)選擇。金屬基底放置于盒子的底座上后金屬基底與上蓋下表面距離小于等于2mm即可，不一定等于2mm。
[0042]實(shí)施例2
[0043]—種控制石墨烯晶核生長(zhǎng)的載具，如圖3所示，是一種耐高溫的載具，包括上蓋1、盒子和用于生長(zhǎng)石墨烯的平直的金屬基底2，金屬基底2為銅箔，金屬基底大小小于底座的大小，上蓋上