一種控制石墨烯晶核生長的載具的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種控制石墨烯晶核生長的載具。載具包括上蓋、盒子和用于生長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大于1000攝氏度的耐高溫材料制成；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。該載具的使用方法包括金屬基底預處理、金屬基底退火、石墨烯成核、冷卻和氧化過程。本實用新型在成核階段載具的開孔大小對反應氣體的起到限流作用，可以控制石墨烯在銅箔上的成核區域和成核密度；通過開孔大小和各種生長參數控制減小石墨烯的成核密度從而實現大單晶石墨烯的制備；通過CVD管式爐控制氣體比例和壓強使石墨烯單晶或多晶面積長大。
【專利說明】
一種控制石墨烯晶核生長的載具
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種控制石墨烯晶核生長的載具領域。
【背景技術】
[0002]石墨烯是碳原子基于sP2雜化組成的六角蜂巢狀結構，僅一個原子層厚的二維晶體。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov等人發現穩定存在的單層石墨稀，也因其在石墨烯方面的開創性工作而獲得2010年諾貝爾物理學獎。近年來，石墨烯在微電子、量子物理、材料、化學等領域都表現出許多令人振奮的性能和潛在的應用前景，吸引了科學界和工業界的廣泛關注。石墨烯具有優異的力、熱、光、電等性質。石墨烯常溫下的電子迀移率超過15000cm2/V.s，超過碳納米管和硅晶體，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97.7%的全波段透光率是其他導電材料難以匹敵的。
[0003]目前工業上普遍采用化學氣相沉積(CVD)法作為制備大面積石墨烯的方法。但是對于石墨烯質量，例如組成石墨烯薄膜的晶核大小、晶核密度、石墨烯薄膜的層數等都難以控制，從而導致石墨烯薄膜整體的電學性能遠遠低于理論值。本實用新型公開了一種控制石墨烯生長的載具及石墨烯生長方法，在石墨烯成核階段控制成核密度，從而實現大晶籌尚質量石墨稀的制備。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種控制石墨烯晶核生長的載具。解決了現有方法在生長過程中晶籌不可控造成的石墨烯薄膜晶核過小，密度過大造成缺陷的問題，從而制備出高質量大晶籌的石墨烯薄膜。
[0005]本實用新型涉及的一種控制石墨烯晶核生長的載具，是一種耐高溫的載具，包括上蓋、盒子和用于生長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進行石墨烯生長。
[0006]進一步的，所述小孔直徑為0.5?2mm。
[0007]進一步的，所述小孔數目可以是單孔、或者多孔、或者多孔陣列。
[0008]進一步的，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側或外側與其相貼合，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或內側上有螺紋卡合的螺紋，相應的盒子的圍壁開口端的內側或外側有相貼合的螺紋卡合的螺紋。
[0011]進一步的，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]本實用新型的一種控制石墨烯晶核生長的載具，使用方法如下:
[0013]該方法通過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]將金屬基底放入權利要求1所述的載具內，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，壓強為20?lOOPa，溫度為900?1050°C條件下退火，退火時間大于30分鐘；
[0018]步驟三:石墨烯成核
[0019]金屬基底在載具內，在H2流速為100?200sccm，通入0.1?3sccm的CH4，壓強控制為10?50Pa，成核時間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放在加熱臺上，在140°C_180°C下加熱1-3分鐘，使未長有石墨烯晶籌的部分氧化。
[0024]本實用新型方法通過控制進氣方式和參數，達到控制局部晶核個數目的，生長出大面積單晶籌，主要分為5個過程，包括金屬基底預處理、金屬基底退火、石墨烯成核、冷卻和氧化過程。每個步驟對石墨烯的單晶核形成都非常重要。預處理清洗金屬基底會清除金屬基底表面的工業殘留雜質，使金屬基底平整，有利于成核階段降低晶籌密度，保證生長環境的清潔。載具的開孔大小對反應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域和成核密度。金屬基底退火讓金屬基底在氫氣環境下去除表面氧化物，使金屬基底重結晶，形成和石墨烯晶格匹配的晶向。成核階段通過調節各個分氣的氣流、溫度和壓強，控制成核密度和晶籌大小。
[0025]本實用新型與現有技術相比有如下優點:1.控制石墨烯晶核形成區域:通過開孔載具，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，遠離開口處無石墨烯晶核形成。2.通過開孔大小和各種生長參數控制減小石墨烯的成核密度;開孔大小對反應氣體的起到限流作用，氣流從進氣口至遠離進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域和成核密度;載具的開孔數目可以是單孔、或者多孔、或者多孔陣列等，取決于對石墨烯晶核的分布要求，單孔對應石墨烯單晶核，多孔對應石墨烯多晶核生長。3.通過CVD管式爐控制氣體比例和壓強使石墨烯單晶面積長大。
【附圖說明】
[0026]為了使本實用新型的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本實用新型提供如下附圖:
[0027]圖1為實施例1中石墨烯晶核生長的載具側視示意圖；
[0028]圖2為實施例1石墨稀晶核生長的載具俯視不意圖；
[0029]圖3為實施例2石墨烯晶核生長的載具俯視示意圖；
[0030]圖4為實施例4中石墨稀晶核生長的載具側視不意圖；
[0031 ]圖5為實施例5中石墨烯晶核生長的載具側視示意圖；
[0032]圖6為實施例6中石墨稀晶核生長的載具側視不意圖；
[0033]圖7為實例7中銅箔上的石墨烯晶核的光學顯微鏡圖片；
[0034]圖8為實例8中銅箔上的石墨烯晶核的光學顯微鏡圖片；
[0035]圖9為實例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，各標號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。
【具體實施方式】
[0038]下面將結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。
[0039]實施例1
[0040]—種控制石墨烯晶核生長的載具，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進行石墨烯生長。氣體沿氣流方向5從小孔4進入載具中。
[0041]在以上實施例中，石英、氮化硅或碳化硅等熔點大于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_，小孔數目可以多孔或者多孔陣列中任一方式替代I個小孔。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方形。對于直徑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進行石墨稀生長即可，40mm X 60mm長方形、厚度3mm、總體高度8mm只是其中一個選擇。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]實施例2
[0043]—種控制石墨烯晶核生長的載具，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個小孔4，小孔直徑為Imm，上蓋和盒子均由石英制成;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1.6mm，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;載具的底座為圓形，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進行石墨稀牛長。
[0044]實施例3
[0045]—種控制石墨烯晶核生長的載具，是一種耐高溫的載具，包括上蓋1、盒子和用于生長石墨烯的平直的金屬基底2，金屬基底2為Ru箔，金屬基底大小小于底座的大小，上蓋上開有9個小孔4，小孔為3*3的陣列，小孔直徑為2mm，上蓋和盒子均由氮化硅制成；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1mm，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;載具的底座為圓形，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進行石墨烯生長。
[0046]實施例4
[0047]—種控制石墨烯晶核生長的載具，如圖4所示，是一種耐高溫的載具，包括上蓋1、盒子和用于生長石墨烯的平直的金屬基底2，金屬基底2為Ni箔，金屬基底大小小于底座的大小，上蓋上開有3個小孔4，小孔直徑為1.5mm，上蓋和盒子均由碳化硅制成;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
0.2mm，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;載具的底座為正方形，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進行石墨烯生長。蓋子在四周有圍壁，下端開口，蓋子的圍壁在盒子的圍壁的外側與其相貼合，蓋子的圍壁的高度大于盒子圍壁的高度。
[0048]實施例5
[0049]—種控制石墨烯晶核生長的載具，如圖5所示，是一種耐高溫的載具，包括上蓋1、盒子和用于生長石墨烯的平直的金屬基底2，金屬基底2為Ir箔，金屬基底大小小于底座的大小，上蓋上開有2個小孔4，小孔直徑分別為0.8mm和1.2mm，上蓋和盒子均由石英制成；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1.2mm，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;上蓋和載具的底座為圓形，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進行石墨烯生長。蓋子在四周有圍壁，下端開口，蓋子的圍壁在盒子的圍壁的外側與其相貼合，蓋子的圍壁的高度小于盒子圍壁的高度。蓋子在其圍壁開口端的內側上有螺紋卡合的螺紋6，相應的盒子在其圍壁開口端的外側有相貼合的螺紋卡合的螺紋6，可以旋轉閉合。
[0050]實施例6
[0051]—種控制石墨烯晶核生長的載具，如圖6所示，是一種耐高溫的載具，包括上蓋1、盒子和用于生長石墨烯的平直的金屬基底2，金屬基底2為銅和Pt的合金，金屬基底大小小于底座的大小，上蓋上開有3個小孔4，小孔直徑分別為0.6mm、0.8mm和2mm，上蓋和盒子均由石英制成；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0.35mm，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；上蓋和載具的底座為圓形，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進行石墨烯生長。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側與其相貼合，蓋子的圍壁的高度大于盒子圍壁的高度。蓋子在其圍壁開口端的外側上有螺紋卡合的螺紋6，相應的盒子在其圍壁開口端的內側有相貼合的螺紋卡合的螺紋6，可以旋轉閉合。
[0052]實施例7
[0053]一種控制石墨烯晶核生長的載具的使用方法，使用如圖3所示實施例2所述的一種控制石墨烯晶核生長的載具，將5cmX5cm的銅箔2用乙醇和丙酮超聲清洗20分鐘，再放入稀硝酸中清洗2分鐘;將銅箔置于開有單個Φ?πιπι小孔4的載具內，蓋上上蓋I，將載具和銅箔一并放入CVD管式爐，在H2流速為50SCCm氣氛中，壓力調節到20Pa，氣體沿氣流方向5從進氣小孔4進入載具中，加熱到溫度1000°C下，保持60分鐘;將氫氣流量改變為lOOsccm，通入Isccm的CH4，壓力調節為40Pa，生長時間5分鐘，然后停止通入CH4 ；將銅箔在氫氣氣氛下將溫度降到室溫，抽出。將銅箔在180°C度下加熱I分鐘，使未長有石墨烯晶籌的部分氧化，在光學顯微鏡下觀察石墨烯晶核。圖7為進氣孔附近生長出石墨烯晶核的光學顯微鏡圖。
[0054]實施例8
[0055]—種控制石墨烯晶核生長的載具的使用方法，使用如圖1所示實施例1所述的的一種控制石墨烯晶核生長的載具，將5cmX5cm的銅箔2用乙醇和丙酮超聲清洗20分鐘，再放入稀硝酸中清洗2分鐘;將銅箔2置于開有單個Φ0.5mm小孔4的載具內，蓋上上蓋I，將載具和銅箔一并放入CVD管式爐，在出流速為200SCCm氣氛中，壓力調節到10Pa，氣體沿氣流方向5從進氣小孔4進入載具中，加熱到溫度1050°C下，保持60分鐘；保持氫氣流量不變，通入
0.5SCCm的CH4，壓力調節為25Pa，生長時間7分鐘，然后停止通入CH4;將銅箔在氫氣氣氛下將溫度降到室溫，抽出。將銅箔在150°C度下加熱2分鐘，使未長有石墨烯晶籌的部分氧化，在光學顯微鏡下觀察石墨烯晶核。圖8為進氣孔附近生長出石墨烯晶核的光學顯微鏡圖。圖9為制備出的石墨烯晶核處在銅箔上的拉曼光譜圖。
【主權項】
1.一種控制石墨烯晶核生長的載具，其特征在于，是一種耐高溫的載具，包括上蓋、盒子和用于生長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;可將包含金屬基底的載具一起放入CVD管式爐的石英管內進行石墨烯生長。2.根據權利要求1所述的一種控制石墨烯晶核生長的載具，其特征在于，所述小孔直徑為0.5?2mm。3.根據權利要求1所述的一種控制石墨烯晶核生長的載具，其特征在于，所述小孔數目可以是單孔、或者多孔、或者多孔陣列。4.根據權利要求1所述的一種控制石墨烯晶核生長的載具，其特征在于，所述上蓋在四周有圍壁，下端開口，上蓋的圍壁在盒子的圍壁的內側或外側與其相貼合，上蓋的圍壁的高度大于、等于或小于盒子圍壁的高度。5.根據權利要求4所述的一種控制石墨烯晶核生長的載具，其特征在于，所述上蓋和盒子的底座為圓形，上蓋在圍壁開口端的外側或內側上有螺紋卡合的螺紋，相應的盒子的圍壁開口端的內側或外側有相貼合的螺紋卡合的螺紋。6.根據權利要求1所述的一種控制石墨烯晶核生長的載具，其特征在于，所述上蓋和底座的形狀為方形、圓形、橢圓形或梯形。
【文檔編號】C01B31/04GK205500790SQ201620082497
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年1月28日
【發明人】高翾, 李占成, 姜浩, 史浩飛
【申請人】中國科學院重慶綠色智能技術研究院