CN101979315A - 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法 - Google Patents

一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101979315A
CN101979315A CN 201010546602 CN201010546602A CN101979315A CN 101979315 A CN101979315 A CN 101979315A CN 201010546602 CN201010546602 CN 201010546602 CN 201010546602 A CN201010546602 A CN 201010546602A CN 101979315 A CN101979315 A CN 101979315A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon carbide
graphene film
preparation
reaction
carbide substrates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN 201010546602
Other languages
English (en)
Other versions
CN101979315B (zh
Inventor
夏洋
饶志鹏
刘键
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JIAXING MICROELECTRONIC INSTRUMENT AND EQUIPMENT ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Institute of Microelectronics of CAS
Jiaxing Microelectronic Instruments and Equipment Engineering Center of CAS
Original Assignee
JIAXING MICROELECTRONIC INSTRUMENT AND EQUIPMENT ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Institute of Microelectronics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JIAXING MICROELECTRONIC INSTRUMENT AND EQUIPMENT ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES, Institute of Microelectronics of CAS filed Critical JIAXING MICROELECTRONIC INSTRUMENT AND EQUIPMENT ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Priority to CN201010546602A priority Critical patent/CN101979315B/zh
Publication of CN101979315A publication Critical patent/CN101979315A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101979315B publication Critical patent/CN101979315B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

本发明涉及石墨烯的制备技术，具体涉及一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在碳化硅衬底表面进行化学吸附；所述的碳源气体与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的副产物，直到碳化硅衬底表面的碳源气体完全消耗；所述卤代反应停止后，相应的副产物经过光照在碳化硅衬底表面形成单原子层石墨烯薄膜。本发明利用原子层沉积技术制备石墨烯薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的石墨烯薄膜结构完整，厚度均一，并为单原子层厚度。

Description

一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯的制备技术，具体涉及一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法。
背景技术
自从2004年科学家成功剥离出石墨烯后，石墨烯立刻引起了大家广泛的关注。这是因为石墨烯具有良好的力学、热学和电学性质。在力学方面：石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。在热学方面：石墨烯的出现打破了理论和实验界认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在的观点，这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。在电学方面：稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为，其霍尔电导等于2e2/h，6e2/h，10e2/h，...，为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。石墨烯的这些特性使得它在电子学、氢储存、纳米器件及固态气敏传感器等领域有着重要的应用。
石墨烯要能广泛的应用，其前提是要制得严格意义上具有单层厚度的石墨烯材料。而目前常使用的方法有机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化石墨还原法。机械剥离法可以获得质量很高的石墨烯样品，但是其操作步骤繁琐，效率低，产量小。外延生长法和化学气相沉积法都是在高温下分解化合物，除能耗大外，衬底对产物的影响也是需要考虑的一个问题。氧化石墨还原法所使用的氧化剂对石墨层有破坏作用，所得的石墨烯质量差且有较多的缺陷。以上各种方法还有一个缺陷，即不能制得厚度均一且具有单原子层厚度的石墨烯材料。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，该方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的石墨烯薄膜结构完整，厚度均一，为单原子层厚度。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：
将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在碳化硅衬底表面进行化学吸附；
所述碳源气体与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的副产物，直到碳化硅衬底表面的碳源气体完全消耗；
所述卤代反应停止后，相应的副产物经过光照在碳化硅衬底表面形成单原子层石墨烯薄膜。
上述方案中，所述碳化硅衬底选用结晶取向为(0001)的晶面，且以碳原子为终端。
上述方案中，所述在将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的步骤之前还包括：对碳化硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成碳氢键。
上述方案中，所述碳源气体为重氮甲烷或乙烯酮。
上述方案中，所述重氮甲烷或乙烯酮在碳化硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照或者低温加热，所述重氮甲烷或乙烯酮经过光照或低温加热的分解产物具有未成键电子。
上述方案中，所述第二反应前驱体为气态碘单质。
上述方案中，所述重氮甲烷或乙烯酮与所述气态碘单质发生卤代反应，使得重氮甲烷或乙烯酮中除碳以外的其他官能团被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键。
上述方案中，所述碳碘键通过光照发生断裂，碳原子自发成键在碳化硅衬底表面形成石墨烯。
上述方案中，所述卤代反应是在光照条件下进行的。
上述方案中，所述原子层沉积设备反应腔在通入第一反应前驱体或第二反应前驱体的前后均通入惰性气体；所述惰性气体为氩气或氮气。
与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：
本发明利用原子层沉积技术制备石墨烯薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的石墨烯薄膜结构完整，厚度均一，并为单原子层厚度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的重氮甲烷或乙烯酮与碳化硅衬底进行化学吸附的过程示意图；
图2为本发明实施例提供的重氮甲烷或乙烯酮与气态碘单质进行卤代反应形成石墨烯薄膜的过程示意图；
图3为本发明实施例提供的具有单原子层厚度的石墨烯薄膜的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
实施例1：
一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤101，在50℃-1000℃等离子体条件下，通入氢气1分钟-60分钟，对结晶取向为(0001)晶面的、以碳原子为终端的碳化硅衬底进行氢化处理，使碳化硅衬底表面形成C-H键，如图1中a图所示；将进行氢化处理后的碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
步骤102，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入重氮甲烷2分钟-60分钟，同时用波长为270nm-350nm的紫外光照射，使重氮甲烷分解，分解产物具有未成键电子，重氮甲烷分解的化学表达式为：
Figure BDA0000032471000000041
如图1中b图所示；
分解产物碳烯(：CH2)和碳化硅衬底发生***反应，反应的化学表达式为：
Figure BDA0000032471000000042
即在碳化硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，排出未反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质2分钟-60分钟，如图2中a图所示，同时用波长为350nm-450nm的高压汞灯照射，使得碳化硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：
Figure BDA0000032471000000043
如图2中b图所示；
步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，排出未反应的气态碘单质，用日光灯照射碳化硅衬底表面，使得碳碘键断裂，剩下的碳原子自发成键形成碳单质的结构，如图2中c图所示；所得物质即为具有单原子层厚度、结构完整的石墨烯薄膜，如图3所示。
上述实施例中，使重氮甲烷分解的条件不局限于紫外光照射，还可以进行低温加热；上述实施例中，在通入重氮甲烷或气态碘单质的前后所通入的惰性气体不局限于氩气，还可以是氦气。
实施例2：
一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤101，在50℃-1000℃等离子体条件下，通入氢气1分钟-60分钟，对(0001)晶面的、以碳原子为终端的碳化硅衬底进行氢化处理，使碳化硅衬底表面形成C-H键，如图1中a图所示；将进行氢化处理后的碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
步骤102，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入乙烯酮2分钟-60分钟，同时用波长为270nm-350nm的紫外光照射或低温加热，使乙烯酮分解，分解产物具有未成键电子，乙烯酮分解的化学表达式为：
Figure BDA0000032471000000051
如图1中b图所示；
分解产物碳烯(：CH2)和碳化硅衬底发生***反应，反应的化学表达式为：
Figure BDA0000032471000000052
即在碳化硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，排出未反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质2分钟-60分钟，如图2中a图所示，同时用波长为350nm-450nm的高压汞灯照射，使得碳化硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：
Figure BDA0000032471000000061
如图2中b图所示；
步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，排出未反应的气态碘单质，用日光灯照射碳化硅衬底表面，使得碳碘键断裂，剩下的碳原子自发成键形成碳单质的结构，如图2中c图所示；所得物质即为具有单原子层厚度、结构完整的石墨烯薄膜，如图3所示。
上述实施例中，在通入乙烯酮或气态碘单质的前后所通入的惰性气体不局限于氩气，还可以是氦气。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在碳化硅衬底表面进行化学吸附；
所述碳源气体与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的副产物，直到碳化硅衬底表面的碳源气体完全消耗；
所述卤代反应停止后，相应的副产物经过光照在碳化硅衬底表面形成单原子层石墨烯薄膜。
2.如权利要求1所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述碳化硅衬底选用结晶取向为(0001)的晶面，且以碳原子为终端。
3.如权利要求2所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述在将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的步骤之前还包括：对碳化硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成碳氢键。
4.如权利要求1所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述碳源气体为重氮甲烷或乙烯酮。
5.如权利要求4所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述重氮甲烷或乙烯酮在碳化硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照或者低温加热，所述重氮甲烷或乙烯酮经过光照或低温加热的分解产物具有未成键电子。
6.如权利要求5所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述第二反应前驱体为气态碘单质。
7.如权利要求6所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述重氮甲烷或乙烯酮与所述气态碘单质发生卤代反应，使得重氮甲烷或乙烯酮中除碳以外的其他官能团被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键。
8.如权利要求7所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述碳碘键通过光照发生断裂，碳原子自发成键在碳化硅衬底表面形成石墨烯。
9.如权利要求1所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述卤代反应是在光照条件下进行的。
10.如权利要求1所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述原子层沉积设备反应腔在通入第一反应前驱体或第二反应前驱体的前后均通入惰性气体；所述惰性气体为氩气或氮气。
CN201010546602A 2010-11-16 2010-11-16 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法 Active CN101979315B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010546602A CN101979315B (zh) 2010-11-16 2010-11-16 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010546602A CN101979315B (zh) 2010-11-16 2010-11-16 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101979315A true CN101979315A (zh) 2011-02-23
CN101979315B CN101979315B (zh) 2012-08-29

Family

ID=43599867

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201010546602A Active CN101979315B (zh) 2010-11-16 2010-11-16 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101979315B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102181924A (zh) * 2011-03-30 2011-09-14 苏州纳维科技有限公司 一种石墨烯的生长方法以及石墨烯
CN102344134A (zh) * 2011-09-23 2012-02-08 中国科学院微电子研究所 一种石墨的制备方法
CN102728849A (zh) * 2012-05-08 2012-10-17 清华大学 一种自支撑的、单原子层厚的贵金属纳米片及其制备方法
CN102936009A (zh) * 2012-10-11 2013-02-20 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法
CN103938180A (zh) * 2014-04-23 2014-07-23 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种厚度可控的纳米碳膜的制备
CN104071780A (zh) * 2014-06-24 2014-10-01 武汉理工大学 一种层数可控石墨烯的制备方法
CN104477899A (zh) * 2014-12-12 2015-04-01 重庆墨希科技有限公司 一种制备石墨烯的夹具以及制备石墨烯的方法
CN104818526A (zh) * 2015-01-27 2015-08-05 夏洋 一种气相生长二维材料的方法
CN110016803A (zh) * 2019-04-04 2019-07-16 碳翁(北京)科技有限公司 一种耐高温电热纤维及其应用
CN110022623A (zh) * 2019-04-04 2019-07-16 碳翁(北京)科技有限公司 一种耐高温电热纤维的制备与应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101285175A (zh) * 2008-05-29 2008-10-15 中国科学院化学研究所 化学气相沉积法制备石墨烯的方法
WO2009113472A1 (ja) * 2008-03-10 2009-09-17 国立大学法人東北大学 グラフェンまたはグラファイト薄膜、その製造方法、薄膜構造および電子デバイス

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009113472A1 (ja) * 2008-03-10 2009-09-17 国立大学法人東北大学 グラフェンまたはグラファイト薄膜、その製造方法、薄膜構造および電子デバイス
CN101285175A (zh) * 2008-05-29 2008-10-15 中国科学院化学研究所 化学气相沉积法制备石墨烯的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Chem. Commun.》 20100607 Qingsong Huang et al. Epitaxial graphene on 4H-SiC by pulsed electron irradiation 4917-4919 1-10 第46卷, 2 *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102181924B (zh) * 2011-03-30 2013-02-06 苏州纳维科技有限公司 一种石墨烯的生长方法以及石墨烯
CN102181924A (zh) * 2011-03-30 2011-09-14 苏州纳维科技有限公司 一种石墨烯的生长方法以及石墨烯
CN102344134A (zh) * 2011-09-23 2012-02-08 中国科学院微电子研究所 一种石墨的制备方法
CN102728849B (zh) * 2012-05-08 2013-09-18 清华大学 一种自支撑的、单原子层厚的贵金属纳米片及其制备方法
CN102728849A (zh) * 2012-05-08 2012-10-17 清华大学 一种自支撑的、单原子层厚的贵金属纳米片及其制备方法
CN102936009B (zh) * 2012-10-11 2014-05-21 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法
CN102936009A (zh) * 2012-10-11 2013-02-20 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法
CN103938180A (zh) * 2014-04-23 2014-07-23 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种厚度可控的纳米碳膜的制备
CN104071780A (zh) * 2014-06-24 2014-10-01 武汉理工大学 一种层数可控石墨烯的制备方法
CN104071780B (zh) * 2014-06-24 2016-08-17 武汉理工大学 一种层数可控石墨烯的制备方法
CN104477899A (zh) * 2014-12-12 2015-04-01 重庆墨希科技有限公司 一种制备石墨烯的夹具以及制备石墨烯的方法
CN104818526A (zh) * 2015-01-27 2015-08-05 夏洋 一种气相生长二维材料的方法
CN110016803A (zh) * 2019-04-04 2019-07-16 碳翁(北京)科技有限公司 一种耐高温电热纤维及其应用
CN110022623A (zh) * 2019-04-04 2019-07-16 碳翁(北京)科技有限公司 一种耐高温电热纤维的制备与应用
CN110022623B (zh) * 2019-04-04 2020-01-10 碳翁(北京)科技有限公司 一种耐高温电热纤维的制备与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN101979315B (zh) 2012-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101979315B (zh) 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法
Wang et al. A review of graphene synthesisatlow temperatures by CVD methods
Yeh et al. Single-step growth of graphene and graphene-based nanostructures by plasma-enhanced chemical vapor deposition
EP3802418B1 (en) Methods for forming carbon nanostructured materials
Ahmad et al. Synthesis of boron nitride nanotubes via chemical vapour deposition: a comprehensive review
WO2012167701A1 (zh) 一种化学气相沉积制备单层和多层石墨烯的方法
WO2012167700A1 (zh) 一种固态碳源制备石墨烯的方法
EP1414744A1 (en) Production of carbon nanotubes
CN101597049A (zh) 碳纳米管薄膜的制备方法
CN101717083A (zh) 一种石墨烯及其制备方法
TW201341302A (zh) 石墨烯奈米窄帶的製備方法
TW452604B (en) Process for synthesizing one-dimensional nanosubstances by electron cyclotron resonance chemical vapor deposition
KR20120136790A (ko) 유도 열 플라즈마를 이용한 그래핀 제조방법
CN102352490B (zh) 一种掺氮碳纳米管的制备方法
TW201000393A (en) Method for making carbon nanotube film
WO2014123213A1 (ja) 酸素還元触媒、酸素還元電極及び燃料電池
CN102051592B (zh) 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法
CN101979707B (zh) 一种用于原子层沉积制备石墨烯薄膜的碳化学吸附方法
CN103101907B (zh) 石墨烯、石墨烯制备方法及应用
Yu et al. One-step synthesis of tunable nitrogen-doped graphene from graphene oxide and its high performance field emission properties
Ali et al. Effect of catalyst-deposition methods on the alignment of carbon nanotubes grown by low pressure chemical vapor deposition
CN1304631C (zh) 直流辉光等离子体化学气相沉积方法制备碳纳米管的工艺
CN102115878B (zh) 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法
CN102011103A (zh) 一种用于氮化碳薄膜制备的化学吸附方法
CN110451496A (zh) 一种连续放量制备粉体石墨烯的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant