一种原位批量制备高质量石墨烯的方法及其产品与流程

[0001]
本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种原位批量制备高质量石墨烯的方法及其产品。


背景技术：

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石墨烯是一种二维材料，由一个原子层厚度的碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂巢状结构组成。石墨烯具有很多种优异的性能，如超高机械强度(石墨烯的杨氏模量为1tpa、石墨烯的本征强度为130gpa)、良好导热性(石墨烯常温下热导率为5000wmk-1
)、高光学透过率(石墨烯具有高达97.7％的全波段透光率)和超强导电性(石墨烯的电子迁移率超过2.5
×
105cm2v-1
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)，因此石墨烯具有广泛的用途。
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近年来，如何提高石墨烯的质量成为了研究热点。虽然石墨烯的生长可以越过铜表面的各种微观形貌(如台阶等)以及大部分的缺陷(如位错、原子突起等)，但铜粗糙的表面结构依然会直接影响其上生长的石墨烯的质量：首先，铜表面的台阶结构可能会使石墨烯的晶向发生偏转，从而形成晶界等缺陷；其次，研究发现石墨烯倾向于优先在缺陷和微观结构粗糙处成核，因此铜粗糙的表面结构增大了成核密度，从而可能降低石墨烯的质量。因此,，铜表面形貌和质量能够在很大程度上决定其上所制备得到的石墨烯的质量。虽然目前有研究者利用机械抛光、电化学抛光等方法对铜箔表面处理，这些方法都一定程度的提高了石墨烯的质量，但是都仅限于单片处理。
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因此需要对能够进行批量化生产的制备高质量石墨烯的方法进行研究。


技术实现要素：

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有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种原位批量制备高质量石墨烯的方法；本发明的目的之二在于提供一种原位批量制备高质量石墨烯的方法制备得到的高质量石墨烯。
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为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
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1.一种原位批量制备高质量石墨烯的方法，所述方法包括如下步骤：
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(1)准备生长基底：将n片基片竖直放置，所述基片之间放置石英杆隔开形成多个限域通道结构的同时避免高温下基片之间产生粘连；
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(2)基底预处理：将步骤(1)中所述的生长基底放入cvd管式炉中，通入辅气进行高温退火预处理；
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(3)生长石墨烯：步骤(2)中预处理结束后通入碳源气体，在基底上原位生长形成石墨烯；
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(4)后处理：生长结束后停止通入碳源气体，继续通入辅气直至降至常温状态后取出即可。
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优选的，步骤(1)中所述基片的材质为金属。
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进一步优选的，所述金属为铜、镍、铁或钴中的任意一种或几种形成的合金。
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优选的，步骤(1)中所述石英杆的直径为3～20mm。
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优选的，步骤(2)和步骤(4)中所述辅气为氢气和氩气形成的混合气体，通入辅气的过程中通入氢气的流量为5～200sccm、通入氩气的流量为50～1000sccm。
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优选的，步骤(2)中所述高温退火预处理具体为：以10～15℃/min速度将cvd管式炉中的温度升温至1000～1060℃后保持30～240min。
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优选的，步骤(3)中所述碳源气体为甲烷、乙烯或乙炔中的任意一种。
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优选的，步骤(3)中所述碳源气体通入的流量为3～100sccm。
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2.根据上述原位批量制备高质量石墨烯的方法制备得到的石墨烯薄膜。
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本发明的有益效果在于：
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本发明公开了一种原位批量制备高质量石墨烯的方法，通过将多片基片(合金或单金属材质)竖直放置后，在各片基片之间放入石英杆，从而组成多个限域通道结构，同时避免高温下基片之间产生粘连，将其放入cvd管式炉中进行高温退火处理后(由于在高温条件下对基片内部表面的金属蒸发后能够再沉积到表面，从而在这些限域通道结构内，这些基片均处于相同的环境条件下，从而获得表面平整且均匀的生长基底)通入碳源气体和辅气，制备得到高质量的石墨烯。由于平整的表面不利于石墨烯的成核，因此本发明对生长基底的预处理极大地降低了基片表面石墨烯的成核密度，从而获得了晶畴大小、形状均匀的石墨烯晶畴，为高质量石墨烯的生长创造了条件，并且能够进行批量处理并原位生长。本发明制备石墨烯的方法解决了现有技术中规模化制备石墨烯时存在的单片处理铜箔的方法成本高、处理周期长、效率低等问题，有助于原位批量制备石墨烯，同时有利于促进石墨烯材料的应用推广。
[0022]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
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为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
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图1为实施例1中铜箔基片经过预处理前(a)和与处理后(b)的afm图；
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图2为通过实施例1中的制备方法在每片铜箔基片上制备得到的石墨烯的晶畴显微镜图，其中a、b、c、d、e和f分别为不同铜箔基片上制备得到的石墨烯；
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图3为将实施例1中制备得到的各个铜箔基片上的石墨烯转移至pet基底上后测试得到的石墨烯方阻，其中a、b、c、d、e和f分别来自于图2中不同铜箔基片(a、b、c、d、e和f)上的得到的石墨烯；
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图4为本发明制备过程中基片装架的截面示意图。
具体实施方式
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以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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实施例1
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原位批量制备高质量石墨烯，具体按照如下的步骤进行制备：
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(1)制备生长基底：将六片铜箔作为基片(其中铜箔的afm图如图1中a所示)竖直放置，其中铜箔基片之间放置有直径为3mm的石英杆，隔开形成6个限域通道结构的生长基底；
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(2)基底预处理：将步骤(1)中所述的生长基底放入cvd管式炉中，通入由氢气和氩气形成的混合气体作为辅气(通入辅气的过程中通入氢气的流量为50sccm、通入氩气的流量为500sccm)，进行高温退火预处理(以10℃/min的速度将cvd管式炉中的温度升温至1000℃后保持)60min，形成的预处理后的铜箔基片的afm图如图1中b所示；
[0033]
(3)生长石墨烯：步骤(2)中预处理结束后以5sccm的流量通入碳源气体(甲烷)30min，在基底上原位生长形成石墨烯；
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(4)后处理：生长结束后停止通入碳源气体，继续通入辅气(通入辅气的过程中通入氢气的流量为50sccm、通入氩气的流量为500sccm)直至降至常温状态后取出即可得到在铜箔基片上生长的高质量石墨烯，其每片铜箔上生长的石墨烯的晶畴显微镜图如图2所示。
[0035]
实施例2
[0036]
原位批量制备高质量石墨烯，具体按照如下的步骤进行制备：
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(1)制备生长基底：将六片钴作为基片竖直放置，其中钴基片之间放置有直径为3mm的石英杆，隔开形成6个限域通道结构的生长基底；
[0038]
(2)基底预处理：将步骤(1)中所述的生长基底放入cvd管式炉中，通入由氢气和氩气形成的混合气体作为辅气(通入辅气的过程中通入氢气的流量为5sccm、通入氩气的流量为50sccm)，进行高温退火预处理(以15℃/min的速度将cvd管式炉中的温度升温至1060℃后保持)30min，形成的预处理后的钴基片；
[0039]
(3)生长石墨烯：步骤(2)中预处理结束后以3sccm的流量通入碳源气体(乙烯)300min，在基底上原位生长形成石墨烯；
[0040]
(4)后处理：生长结束后停止通入碳源气体，继续通入辅气(通入辅气的过程中通入氢气的流量为5sccm、通入氩气的流量为50sccm)直至降至常温状态后取出即可得到在钴基片上生长的高质量石墨烯。
[0041]
实施例3
[0042]
原位批量制备高质量石墨烯，具体按照如下的步骤进行制备：
[0043]
(1)制备生长基底：将六片铜铁合金作为基片竖直放置，其中铜铁合金基片之间放置有直径为20mm的石英杆，隔开形成6个限域通道结构的生长基底；
[0044]
(2)基底预处理：将步骤(1)中所述的生长基底放入cvd管式炉中，通入由氢气和氩气形成的混合气体作为辅气(通入辅气的过程中通入氢气的流量为200sccm、通入氩气的流量为1000sccm)，进行高温退火预处理(以12℃/min的速度将cvd管式炉中的温度升温至1040℃后保持)200min，形成的预处理后的铜铁合金基片；
[0045]
(3)生长石墨烯：步骤(2)中预处理结束后以100sccm的流量通入碳源气体(乙炔)10min，在基底上原位生长形成石墨烯；
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(4)后处理：生长结束后停止通入碳源气体，继续通入辅气(通入辅气的过程中通入氢气的流量为200sccm、通入氩气的流量为1000sccm)直至降至常温状态后取出即可得到在铜铁合金基片上生长的高质量石墨烯。
[0047]
图1中a和b分别为铜箔基片预处理前后的afm图，从图中的对比情况以及相应的粗糙度检测(预处理前rq＝109nm，预处理后rq＝2.6nm)可以看出，经过本发明的预处理，铜箔的粗糙度有明显的降低。
[0048]
图2为通过实施例1中的制备方法在每片铜箔基片上制备得到的石墨烯的晶畴显微镜图，其中a、b、c、d、e和f分别为不同铜箔基片上制备得到的石墨烯，可以看出，本发明的方法既可以得到均匀、高质量的石墨烯，同时还兼具批量制备的功能。
[0049]
图3为将实施例1中制备得到的各个铜箔基片上的石墨烯转移至pet基底上，测试得到的石墨烯方阻，其中a、b、c、d、e和f分别来自于图2中不同铜箔基片(a、b、c、d、e和f)上的得到的石墨烯。由此说明，采用本发明的方法批量制备得到了方阻均匀的高质量石墨烯。
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图4为本发明制备过程中基片装架的截面示意图。
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同样的通过测试得到实施例1和实施例2中制备得到的石墨烯具有如实施例1中石墨烯相同的质量。
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综上所述，本发明公开了一种原位批量制备高质量石墨烯的方法，通过将多片基片竖直放置后，在各片基片之间放入自制的石英杆，从而组成多个限域通道结构，将其放入cvd管式炉中进行高温退火处理后(由于在高温条件下对基片内部表面的金属蒸发后能够再沉积到表面，从而在这些限域通道结构内，这些基片均处于相同的环境条件下，从而获得表面平整且均匀的生长基底，)通入碳源气体和辅气，制备得到高质量的石墨烯。主要是因为平整的表面不利于石墨烯的成核，因此本发明对生长基底的预处理极大地降低了基片表面石墨烯的成核密度，从而获得了晶畴大小、形状均匀的石墨烯晶畴，为高质量石墨烯的生长创造了条件，并且能够进行批量处理并原位生长。解决了现有技术中规模化制备石墨烯时存在的单片处理基片的方法成本高、处理周期长、效率低等问题，有助于石墨烯材料的应用推广。
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最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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