CN109019569B - 高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法 - Google Patents
高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109019569B CN109019569B CN201710429238.XA CN201710429238A CN109019569B CN 109019569 B CN109019569 B CN 109019569B CN 201710429238 A CN201710429238 A CN 201710429238A CN 109019569 B CN109019569 B CN 109019569B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- metal carbide
- carbide crystal
- dimensional metal
- dimensional
- 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.)
- Active
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 233
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 212
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 160
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 160
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 149
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 92
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 70
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 55
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 39
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 39
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 31
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 25
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 25
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 24
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 22
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 22
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical group [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 15
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical group [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 14
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 14
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 14
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 13
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 13
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 10
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 9
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 6
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 6
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 6
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 6
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 6
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims description 6
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 5
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 claims description 5
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004523 catalytic cracking Methods 0.000 claims description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 claims description 3
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910021627 Tin(IV) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 3
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 3
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 claims description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 3
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims description 3
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 3
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- HPGGPRDJHPYFRM-UHFFFAOYSA-J tin(iv) chloride Chemical compound Cl[Sn](Cl)(Cl)Cl HPGGPRDJHPYFRM-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 2
- 150000005826 halohydrocarbons Chemical class 0.000 claims 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 abstract description 2
- QIJNJJZPYXGIQM-UHFFFAOYSA-N 1lambda4,2lambda4-dimolybdacyclopropa-1,2,3-triene Chemical compound [Mo]=C=[Mo] QIJNJJZPYXGIQM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 33
- 229910039444 MoC Inorganic materials 0.000 description 33
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 19
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 16
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 12
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 12
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 12
- LZCLXQDLBQLTDK-UHFFFAOYSA-N ethyl 2-hydroxypropanoate Chemical group CCOC(=O)C(C)O LZCLXQDLBQLTDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 12
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 12
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 9
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 229910003178 Mo2C Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 6
- 229940116333 ethyl lactate Drugs 0.000 description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 6
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 6
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 5
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 4
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 150000008282 halocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 1,1-Dichloroethane Chemical compound CC(Cl)Cl SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N Trichloroethylene Chemical group ClC=C(Cl)Cl XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 229910003090 WSe2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000002524 electron diffraction data Methods 0.000 description 1
- 238000000731 high angular annular dark-field scanning transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- JMMWKPVZQRWMSS-UHFFFAOYSA-N isopropanol acetate Natural products CC(C)OC(C)=O JMMWKPVZQRWMSS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000001073 sample cooling Methods 0.000 description 1
- 238000004098 selected area electron diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- UBOXGVDOUJQMTN-UHFFFAOYSA-N trichloroethylene Natural products ClCC(Cl)Cl UBOXGVDOUJQMTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/01—Crystal-structural characteristics depicted by a TEM-image
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
- C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
- C01P2002/82—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by IR- or Raman-data
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
- C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/60—Particles characterised by their size
- C01P2004/64—Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/40—Electric properties
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明涉及新材料领域,具体为一种高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法。采用铜箔/金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体,在高温下率先通过CVD技术催化裂解碳源生长出石墨烯,然后升高温度进一步在石墨烯下面生长出二维过渡金属碳化物晶体,或者在高于铜熔点的温度下直接生长石墨烯和二维过渡金属碳化物,从而制备出石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构,后续刻蚀掉铜基底得到石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构。本发明为高质量石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构在催化、激光探测、透明导电薄膜、热管理、二维超导及高透明约瑟夫森结等领域的研究和应用奠定基础。
Description
技术领域:
本发明涉及石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构新材料及其化学气相沉积(CVD)制备领域,具体为一种具有干净界面、晶体取向一致及强耦合作用的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法,适于大面积、高质量的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备。
背景技术:
石墨烯和其他二维晶体不仅展现出不同于它们对应块体材料的诸多新的物性、超级的性质和有前景的应用,也为通过堆叠的方式创造具有不同寻常的性质、新的物性及对于技术应用领域前所未有的可能性的二维垂直异质结构提供了理想的组元。除了高质量,不同晶体间的协同作用在二维异质结构的性质中也扮演的很重要的角色,而它有很强地依赖于相邻晶体的界面、相对取向和相互作用。
超导体-石墨烯异质结构或杂化结构已经为探索各种新奇的量子现象和独特的器件提供了一个有意义的平台,如:双极超流、弹道近邻超导电性、量子超导绝缘相变和全带间安德烈夫反射。最近,具有高临界长的超导体与石墨烯的杂化体系从实验上得以实现,量子霍尔效应和超导电性并存得以证明,这使得在石墨烯体系中获得马约拉纳零模式成为可能。然而,目前,这些异质结构或杂化结构是通过将一种材料沉积或者堆垛到另一种材料上制备的,因此其相邻材料的相对取向具有随机性、界面相互作用弱和界面处不可避免的污染等缺点。
最近,化学气相沉积在直接生长各种二维层状晶体的范德瓦尔斯异质结构,如:graphene/h-BN,h-BN/graphene,MoS2/graphene,MoS2/h-BN,WS2/MoS2和MoS2/WSe2/graphene等上,得到了广泛地发展。相比于堆垛方法,直接生长能够获得具有非常干净的界面的异质结构。此外,在生长过程中范德瓦尔斯作用力使样品有明确的生长择优取向,从而异质结构中相邻的二维晶体是具有一致取向的,如:graphene/h-BN异质结构。然而,大多数的异质结构的取向一致性不是很统一,甚至在某些异质结构中由于大的晶格失配会导致重构。另外,在这些直接生长的范德瓦尔斯异质结构中界面相互作用是很弱的。更重要的是,这些异质结构通常由于生长过程中二维晶体低的催化活性和大量缺项的产生,导致其组分的晶体质量很差。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种具有干净界面、晶体取向一致及强耦合作用的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法,解决目前研究中得到的垂直异质结构中石墨烯质量差、界面污染、界面相互作用弱等问题,为研究石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构本征特性和探索其应用奠定基础。
本发明的技术方案是:
一种高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料,石墨烯为均匀单层石墨烯,拉曼峰G/D=10~30,尺寸取决于生长过程中所使用的基体尺寸;二维金属碳化物厚度为0.5nm~1000nm,其横向尺寸为50nm~100μm,整个材料成分均一、无缺陷和空位;异质结构界面干净、石墨烯与金属碳化物晶体取向一致并具有很强的耦合作用,即异质结构部分石墨烯内有很强的压应力存在,压应力范围为0.5~5GPa。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,采用上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体,在600~1083℃的高温下率先通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出石墨烯,然后升高温度至1085~1300℃,进一步在石墨烯下面生长出二维过渡金属碳化物晶体;或者,在1085~1300℃的温度下直接生长石墨烯和二维过渡金属碳化物;从而,制备出石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构,后续刻蚀掉铜基底得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的化学气相沉积生长:以上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体,在低于铜熔点的高温化学气相沉积过程中,率先在铜基体表面生长石墨烯,然后升高温度至高于铜熔点,金属箔片提供金属原子,铜箔熔化后作为金属原子的扩散通道,控制扩散到铜中的金属原子的数量,进而与液态铜催化裂解碳源形成的碳原子反应,在石墨烯与液态铜界面处形成二维金属碳化物晶体,从而得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料;或者直接在高于铜熔点的温度下,同时生长石墨烯和金属碳化物晶体,同样得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料;
(2)高分子聚合物保护层的涂覆:在石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的表面均匀地涂覆一层高分子聚合物,对其进行保护,以防止其在后续转移过程中发生破坏;
(3)铜基底的刻蚀:用铜的刻蚀液溶除铜基底,得到高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料复合膜;
(4)高分子聚合物保护层的去除:将得到的高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料复合膜放置在目标基体上,用有机溶剂将覆盖在石墨烯表面的高分子聚合物保护膜溶解去除。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,底层采用的金属箔片为钼片、钨片、钽片、钛片、铌片、铬片或钒片,金属箔片的厚度为10μm~1.0mm,铜箔厚度为100nm~100μm,纯度为98wt%~99.9999wt%。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,化学气相沉积反应过程中,碳源为碳氢化合物:甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷、乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上;或者,碳源为固体碳源:无定形碳、石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,化学气相沉积反应过程中,载气为氢气或者氢气与惰性气体的混合气体。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,化学气相沉积生长金属碳化物的温度为1085℃~1300℃,生长时间为1秒~600分钟。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,铜的刻蚀液为过硫酸铵水溶液、四氯化锡水溶液或氯化铁水溶液。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,采用高分子聚合物对石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构材料保护,将石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料转移到其他基体上,高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。
所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,除去铜基底后,用有机溶剂去除高分子聚合物保护层,采用的有机溶剂为酮类、氯代烃、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
本发明的优点及有益效果是:
1.本发明提出一类新型二维晶体垂直异质结构材料——具有干净界面、晶体取向一致及强耦合作用的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构以及CVD法以实现其大面积制备。
2.本发明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构具有很高的结晶质量,很干净的界面,一致的晶体取向,强的界面相互作用,优异的化学和热稳定性,高的可见光透过性,以及优异的电荷传导和热传导能力,还是一种二维超导体。这一系列结构性能特点为石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构在催化、激光探测、透明导电薄膜、热管理、二维超导及高透明约瑟夫森结等领域的研究和应用奠定了基础。
3.本发明提出的CVD方法可在常压下进行,具有操作方便、易于调控和易于大面积制备等特点。
4.本发明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构相对于纯的二维金属碳化物晶体而言,由于石墨烯的存在,更加稳定和易于转移。
附图说明:
图1,CVD法生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的实验装置示意图。图中,1气体入口;2金属基底;21铜箔;22金属箔片;3气体出口;4加热炉。
图2,CVD法生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的流程图。a图为双金属片Cu/Mo基底(Solid Cu/Mo),b图为1070℃温度下石墨烯在Cu/Mo基底上的生长(Graphene/Solid Cu/Mo),c图为1090℃(铜熔点以上)温度下,碳化钼在石墨烯与液态铜之间生长(Graphene/2D Mo2C/Liquid Cu/Mo)。每个步骤下面给出了它们对应的光学照片(d)、(e)、(f)。
图3,a图为转移到SiO2/Si基底上的G/Mo2C的光学照片,b-d图为a图中对应的α-Mo2C、石墨烯的G峰、2D峰的拉曼强度面扫,e-h图分别为三角形、六边形、八边形和九边形Mo2C晶体与石墨烯异质结构的明场TEM照片,e-h图中比例尺均为200nm,i-l图分别为对应于e-h图的选区电子衍射花样,可以看出Mo2C与G取向一致,m图为G/Mo2C异质结构的原子结构(俯视图),n图为异质结构中Mo2C的原子级分辨的HAADF-STEM像。
图4,a图中分别为纯Mo2C(2Dα-Mo2C crystal)、石墨烯(graphene)和异质结构Heterostructure(b图中)的拉曼光谱。b-d图分别为CVD法制备的G/Mo2C异质结构的光学照片和对应的石墨烯的G峰和2D峰的峰位的拉曼面扫,可以看出明显的应变区域,b-d图中的比例尺为5μm。a图中,横坐标Raman shift为拉曼位移(cm-1),纵坐标Intensity为强度。
图5,a图为不同温度下的CVD法制备的G/Mo2C异质结构的电压-电流曲线,箭头指出的是多重电压台阶。右下插图为一个耗散分支的扩展图,可以更清晰地看到超导转变区域的多重电压台阶;左上插图为一个典型的四引线器件的SEM照片,异质结构区域由虚线描出,比例尺为5μm。b图为另一个异质结构器件在不同温度下的电压-电流曲线在超导转变区域的扩展,插图为纯二维Mo2C晶体器件在1.9K温度下的电压-电流曲线,并无台阶状图像被观察到。c和d图分别为G/Mo2C和纯Mo2C在150mK温度下的微分电阻dV/dI的二维图,为偏电流I和施加磁场B的函数。
图6,a图为一个基于G/Mo2C异质结构的约瑟夫森结器件的横截面示意图,b图为一个具有代表性的G/Mo2C异质结构的约瑟夫森结器件的SEM照片,c图为不同温度下的Mo2C/G/Mo2C结的V-I特征,说明其典型的直流约瑟夫森响应,d图为在100mK温度下穿过结的微分电阻dV/dI的二维图,其为偏电流I和磁场B的函数。a图中,SiO2/Si基底顶部为Mo2C,Mo2C顶部为石墨烯膜(graphene)。
图7,a图为冷却速度为40℃/min,冷却过程中无甲烷保护的条件下制备的G/Mo2C异质结构的SEM照片,如箭头所示,Mo2C周围有很多六边形洞,表面石墨烯已经被刻蚀,b图为相同冷却速率下有甲烷保护得到的G/Mo2C异质结构的SEM照片,石墨烯是完整的,没有被刻蚀。
图8,a-c图分别为1070℃温度下在Cu/Mo基底上生长30min(a),然后升温到1085℃反应30s(b)和60s(c)的光学照片,样品都已转移到了SiO2/Si基底上,可以发现在固态铜上仅有多层连续的石墨烯生成,在液态铜上生长30s以后有很多小的Mo2C出现,Mo2C周围的多层石墨烯被刻蚀成单层,当生长时间延长到60s时,整个石墨烯膜已经完全变成均匀的单层。
图9,在1092℃温度下,液态铜上直接生长3min的异质结构转移到SiO2/Si基底上的光学照片,生长气氛与两步法完全一样,可以发现得到的Mo2C形状不规则并且很厚。
图10,生长在Cu/Mo基底上的六边形石墨烯单晶/Mo2C晶体的异质结构的光学照片,可以看出没有石墨烯的地方,没有Mo2C出现。
图11,a和b图分别为1086℃温度下和1100温度下用25μm厚的铜生长20s得到的G/Mo2C异质结构的光学照片,可以发现Mo2C的形核密度对生长温度并不敏感。
图12,a和b图分别为1090℃下在Cu(25μm)/Mo基底上分别生长20s和1min得到的异质结构转移到SiO2/Si基底上的光学照片,c和d图分别为1090℃下在Cu(12.5μm)/Mo基底上分别生长2min和10min得到的异质结构转移到SiO2/Si基底上的光学照片,可以发现,可以通过使用不同厚度的铜箔来调控Mo2C的形核密度。
图13,无Mo2C晶体区域石墨烯的典型拉曼谱,显示出其高质量单层的特征。图中,横坐标Raman shift为拉曼位移(cm-1),纵坐标Intensity为强度。
图14,a图为转移到SiO2/Si基底上的纯六边形Mo2C晶体的光学照片,b图为图a中圆圈标记位置的拉曼谱,140cm-1处有一特征峰。b图中,横坐标Ramanshift为拉曼位移(cm-1),纵坐标Intensity为强度。
图15,a图为CVD法制备的G/Mo2C异质结构在SiO2/Si基底的光学照片,b图为对应于图a刻蚀完Mo2C的光学照片,可以发现生长有Mo2C区域的石墨烯与其他区域是均匀连续的单层石墨烯。
图16,分别为CVD法制备的G/Mo2C异质结构(上部)、纯Mo2C(中部)和去除纯Mo2C背底的G/Mo2C异质结构区域(下部)的石墨烯拉曼谱,可以发现无明显的D峰出现,表明了异质结构区域石墨烯具有很高的质量。其中,横坐标Raman shift为拉曼位移(cm-1),纵坐标Intensity为强度。
图17,a-c图分别为六边形、九边形和六边形Mo2C与石墨烯堆垛得到的异质结构的明场TEM照片,d-f分别为对应a-c图中的选区电子衍射花样,可以看出堆垛得到的异质结构中Mo2C与单层石墨烯的取向是随机的,不是取向一致的。
具体实施方式:
在具体实施方式中,本发明高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,采用铜箔(上层)/金属箔片(底层)构成的双金属叠片作为生长基体,在高温下通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出石墨烯,然后在液态铜与石墨烯之间生长二维过渡金属碳化物晶体,后续刻蚀掉铜基底得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构,具体步骤如下:
(1)石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的CVD生长:以上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体,在高温化学气相沉积过程中,率先在铜基体表面生长石墨烯,然后金属箔片提供金属原子,铜箔熔化后作为金属原子的扩散通道,控制扩散到铜中的金属原子的数量,进而与液态铜催化裂解碳源形成的碳原子反应在石墨烯与液态铜界面处形成二维金属碳化物晶体从而得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料;
所采用的生长基底为铜箔和金属箔片(包括钼片、钨片、钽片、钛片、铌片、铬片或钒片等)的双金属叠片,金属箔片的厚度为10μm~10mm,优选范围为25μm~200μm;铜箔厚度为100nm~100μm,优选范围为1μm~25μm;纯度为98wt%~99.9999wt%,优先范围为99.5%~99.9999%。所采用的CVD裂解碳源为碳氢化合物:甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷以及乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上,或者固体碳源:无定形碳、石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等高分子聚合物固体碳源之一种或两种以上。CVD生长使用的碳源流量为0.2sccm~10sccm,优选范围为1.0sccm~3.0sccm;CVD生长使用的载气为氢气或者为氢气与惰性气体的混合气体(载气流量为20毫升/分钟~1000毫升/分钟),二维过渡金属碳化物中的元素成分比可以通过碳源浓度来控制。CVD生长温度为1050℃~1300℃,优选范围为1085℃~1100℃;生长时间为1秒~600分钟,优选为10秒~60分钟,较佳为1分钟~10分钟;反应结束后冷却速度为10℃/分钟~600℃/分钟,优选范围为200℃/分钟~600℃/分钟。
(2)高分子聚合物保护层的涂覆:在石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的表面均匀地涂覆一层高分子聚合物,对其进行保护,以防止其在后续转移过程中发生破坏;
采用高分子聚合物对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构进行保护,便于其转移。这些高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。使用时,高分子聚合物与有机溶剂混合而成溶液,有机溶剂为乳酸乙酯、丙酮、异丙醇或乙酸乙酯,溶液中高分子聚合物的浓度为1.0~10wt%。
(3)铜基底的溶解:用铜的刻蚀液溶除铜基底,得到高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构复合膜;去除铜基底的溶解液为四氯化锡水溶液、过硫酸铵水溶液或氯化铁水溶液等,所述溶解液的摩尔浓度为0.05mol/L~2mol/L。
(4)高分子聚合物保护层的去除:将得到高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构复合膜放置在目标基体上,用有机溶剂将覆盖在石墨烯表面的高分子聚合物保护膜溶解去除。
采用有机溶剂去除高分子聚合物保护层,采用的有机溶剂为丙酮、乳酸乙酯、二氯乙烷、三氯乙烯、氯仿等酮类、氯代烃、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
本发明获得的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构,其中二维金属碳化物晶体的厚度为0.5nm~1000nm(优选为1nm~10nm),成分均一、无缺陷和空位,石墨烯膜的尺寸取决于生长过程中所使用的基体尺寸,异质结构的电导率为10S/cm~100000S/cm(优选为10000S/cm~100000S/cm)。
下面通过实施例和附图进一步详述本发明。
实施例1
本实施例中,高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法如下:
首先,如图1所示,本发明采用水平式反应炉生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构,水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口3,铜箔/钼片置于水平式反应炉高温区,将铜箔/钼片(铜箔20毫米×20毫米×25微米,纯度为99.999wt%,钼片20毫米×20毫米×100微米,纯度为99.95wt%)放置于水平式反应炉(炉管直径22毫米,反应区长度20毫米)中央区域;在氢气和氩气气氛中加热至1070℃(加热过程中氢气流量为200毫升/分钟,氩气流量为500毫升/分钟,升温速度为20℃/分钟),待炉温升至1070℃后通入甲烷、氢气及氩气的混合气体(气体流速分别为甲烷1.10毫升/分钟、氢气200毫升/分钟和氩气500毫升/分钟),开始生长多层石墨烯膜,生长时间为30分钟,然后保持所有气氛不变,将温度升到1090℃使铜变成液态,开始在石墨烯与液态铜之间生长二维碳化钼,生长时间为5分钟,生长结束后在甲烷气氛保护下以40℃/分钟的速度冷却,在铜表面上得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
然后,将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的乳酸乙酯溶液(聚甲基丙烯酸甲酯占4wt%)滴到生长有石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的铜表面,用旋涂仪5000转/分钟涂成一层PMMA薄膜,在150℃温度下烘30分钟后放入0.2mol/L过硫酸铵水溶液中,在70℃温度下反应30分钟以溶解铜基底,将PMMA/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构薄膜转移到SiO2/Si基底上,然后用丙酮在55℃温度下溶解掉PMMA,最终实现石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的成功转移。
利用光学显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的形貌、晶体质量、相对取向和界面应力进行表征,表明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构中石墨烯与碳化钼均有很高的晶体质量、石墨烯与碳化钼有一致的晶体取向,石墨烯与碳化钼界面处有很强的压应力1.5~3.0GPa,平均尺寸为5μm,平均厚度约为5nm,且可获得高透明度的约瑟夫森结。
实施例2
本实施例中,高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法如下:
首先,如图1所示,本发明采用水平式反应炉生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构,水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口3,铜箔/钼片置于水平式反应炉高温区,将铜箔/钼片(铜箔20毫米×20毫米×12.5微米,纯度为99.5wt%,钼片20毫米×20毫米×100微米,纯度为99.95wt%)放置于水平式反应炉(炉管直径22毫米,反应区长度20毫米)中央区域;在氢气和氩气气氛中加热至1070℃(加热过程中氢气流量为200毫升/分钟,氩气流量为500毫升/分钟,升温速度为20℃/分钟),待炉温升至1070℃后通入甲烷、氢气及氩气的混合气体(气体流速分别为甲烷1.10毫升/分钟、氢气200毫升/分钟和氩气500毫升/分钟),开始生长多层石墨烯膜,生长时间为30分钟,然后保持所有气氛不变,将温度升到1090℃,开始在石墨烯与液态铜之间生长二维碳化钼,生长时间为10分钟,生长结束后在甲烷气氛保护下以40℃/分钟的速度冷却,在铜表面上得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
然后,将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的乳酸乙酯溶液(聚甲基丙烯酸甲酯占4wt%)滴到生长有石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的铜表面,用旋涂仪5000转/分钟涂成一层PMMA薄膜,在150℃温度下烘30分钟后放入0.2mol/L过硫酸铵水溶液中,在70℃温度下反应30分钟以溶解铜基底,将PMMA/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构薄膜转移到SiO2/Si基底上,然后用丙酮在55℃温度下溶解掉PMMA,最终实现石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的成功转移。
利用光学显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的形貌、晶体质量、相对取向和界面应力进行表征,表明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构中石墨烯与碳化钼均有很高的晶体质量、石墨烯与碳化钼有一致的晶体取向,石墨烯与碳化钼界面处有很强的压应力1.5~3.0GPa,平均尺寸为10μm,平均厚度约为8nm,且可获得高透明度的约瑟夫森结。
实施例3
本实施例中,高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法如下:
首先,如图1所示,本发明采用水平式反应炉生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构,水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口3,铜箔/钼片置于水平式反应炉高温区,将铜箔/钼片(铜箔20毫米×20毫米×12.5微米,纯度为99.5wt%,钼片20毫米×20毫米×100微米,纯度为99.95wt%)放置于水平式反应炉(炉管直径22毫米,反应区长度20毫米)中央区域;在氢气和氩气气氛中加热至1070℃(加热过程中氢气流量为200毫升/分钟,氩气流量为500毫升/分钟,升温速度为20℃/分钟),待炉温升至1070℃后通入甲烷、氢气及氩气的混合气体(气体流速分别为甲烷5毫升/分钟、氢气200毫升/分钟和氩气500毫升/分钟),开始生长多层石墨烯膜,生长时间为10分钟,然后保持所有气氛不变,将温度升到1090℃,开始在石墨烯与液态铜之间生长二维碳化钼,生长时间为10分钟,生长结束后在甲烷气氛保护下以40℃/分钟的速度冷却,在铜表面上得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
然后,将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的乳酸乙酯溶液(聚甲基丙烯酸甲酯占4wt%)滴到生长有石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的铜表面,用旋涂仪5000转/分钟涂成一层PMMA薄膜,在150℃温度下烘30分钟后放入0.2mol/L过硫酸铵水溶液中,在70℃温度下反应30分钟以溶解铜基底,将PMMA/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构薄膜转移到SiO2/Si基底上,然后用丙酮在55℃温度下溶解掉PMMA,最终实现石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的成功转移。
利用光学显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的形貌、晶体质量、相对取向和界面应力进行表征,表明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构中石墨烯与碳化钼均有很高的晶体质量、石墨烯与碳化钼有一致的晶体取向,石墨烯与碳化钼界面处有很强的压应力1.5~3.0GPa,平均尺寸为10μm,平均厚度约为8nm,且可获得高透明度的约瑟夫森结。
实施例4
本实施例中,高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法如下:
首先,如图1所示,本发明采用水平式反应炉生长石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构,水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口3,铜箔/钼片置于水平式反应炉高温区,将铜箔/钼片(铜箔20毫米×20毫米×100微米,纯度为99.5wt%,钼片20毫米×20毫米×100微米,纯度为99.95wt%)放置于水平式反应炉(炉管直径22毫米,反应区长度20毫米)中央区域;在氢气和氩气气氛中加热至1070℃(加热过程中氢气流量为200毫升/分钟,氩气流量为500毫升/分钟,升温速度为20℃/分钟),待炉温升至1070℃后通入甲烷、氢气及氩气的混合气体(气体流速分别为甲烷1.10毫升/分钟、氢气200毫升/分钟和氩气500毫升/分钟),开始生长多层石墨烯膜,生长时间为30分钟,然后保持所有气氛不变,将温度升到1090℃,开始在石墨烯与液态铜之间生长二维碳化钼,生长时间为10分钟,生长结束后在甲烷气氛保护下以40℃/分钟的速度冷却,在铜表面上得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
然后,将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的乳酸乙酯溶液(聚甲基丙烯酸甲酯占4wt%)滴到生长有石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的铜表面,用旋涂仪5000转/分钟涂成一层PMMA薄膜,在150℃温度下烘30分钟后放入0.2mol/L过硫酸铵水溶液中,在70℃温度下反应30分钟以溶解铜基底,将PMMA/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构薄膜转移到SiO2/Si基底上,然后用丙酮在55℃温度下溶解掉PMMA,最终实现石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的成功转移。
利用光学显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的形貌、晶体质量、相对取向和界面应力进行表征,表明得到的石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构中石墨烯与碳化钼均有很高的晶体质量、石墨烯与碳化钼有一致的晶体取向,石墨烯与碳化钼界面处有很强的压应力1.5~3.0GPa,平均尺寸为3μm,平均厚度约为12nm,且可获得高透明度的约瑟夫森结。
如图1所示,本发明CVD法生长高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的实验装置,主要包括:气体入口1、金属基底2、气体出口3、加热炉4,气态碳源和载气从气体入口1处进入加热炉4的管内(固态碳源可以直接涂覆或沉积在铜箔21上表面),从气体出口3排出,金属基底2为叠放在加热区的铜箔21与金属箔片22构成。
如图2所示,从CVD法制备石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构的流程可以看出,两步法可以很好的制备出石墨烯/二维Mo2C晶体的垂直异质结构。
如图3所示,拉曼面扫结果说明,碳化钼上的石墨烯很均匀,透射电镜结果说明,石墨烯与其下面的碳化钼取向一致并且晶体质量很高。
如图4所示,拉曼面扫结果说明,石墨烯与碳化钼界面处存在很强的相互作用,表现出很大的压应力。
如图5所示,通过对比,低温输运测试说明,异质结构与纯碳化钼的超导电性不同,存在明显的奇异性。
如图6所示,低温输运测试说明,由石墨烯与碳化钼构成的异质结构搭建的约瑟夫森结有很高的透明度。
如图7所示,通过对比实验说明,甲烷的存在在样冷却过程中对石墨烯有很好的保护作用。
如图8所示,异质结构生长的三个典型的阶段,说明石墨烯是由多层石墨烯转变成单层石墨烯的。
如图9所示,直接在液态铜长得到异质结构,形状不规则,且厚度较大。
如图10所示,碳化钼只生长有石墨烯的区域,说明石墨烯的存在对碳化钼的生长至关重要。
如图11所示,相同气氛和生长时间,不同温度下得到的异质结构上的碳化钼形核密度相差不大,说明碳化钼形核密度对温度不敏感。
如图12所示,不同厚度的铜箔可以很好的调控石墨烯下面碳化钼的形核密度,铜越薄,形核密度越低。
如图13所示,从拉曼结果可以看出,多层石墨烯转化而来的单层石墨烯也具有很高的质量。
如图14所示,纯的碳化钼在~140cm-1有一个特征的拉曼峰。
如图15所示,通过对比实验可以看出,碳化钼上面的石墨烯与其周围的石墨烯是一个连续均匀的单层石墨烯膜。
如图16所示,扣除碳化钼背底的影响,发现碳化钼上石墨烯有着很高的G/D值=10~30,说明异质结构内石墨烯的晶体质量很高。
如图17所示,通过堆垛得到的异质结构,石墨烯与碳化钼之间没有固定的取向关系,它们的夹角是随机的。
上述结果表明,本发明通过两步法,先在较低温度下制备石墨烯,然后以高熔点金属同时做为生长基底和反应物,另一种与其紧密接触的低熔点金属在高温溶化后作为高熔点金属原子的扩散通道,气态或液态含碳化合物或无定形碳、高分子聚合物做为碳源,在高温下通过简单的CVD方法,在石墨烯与液体金属之间生长二维金属碳化物晶体,实现了高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体异质结构的制备,具有制备工艺简单,产物厚度和尺寸易于调控,相比于纯碳化物晶体,具有很好的稳定性以及石墨烯质量高、界面干净、晶体取向一致界面耦合作用强等特点,从而为高质量石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构在催化、激光探测、透明导电薄膜、热管理、二维超导及高透明约瑟夫森结等领域的研究和应用奠定了基础。
Claims (10)
1.一种高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料,其特征在于:石墨烯为均匀单层石墨烯,拉曼峰G/D=10~30,尺寸取决于生长过程中所使用的基体尺寸;二维金属碳化物厚度为0.5nm~1000nm,其横向尺寸为50nm~100μm,整个材料成分均一、无缺陷和空位;异质结构界面干净、石墨烯与金属碳化物晶体取向一致并具有很强的耦合作用,即异质结构部分石墨烯内有很强的压应力存在,压应力范围为0.5 ~5 GPa。
2.一种权利要求1所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于:采用上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体,在600~1083℃的高温下率先通过化学气相沉积技术催化裂解碳源生长出石墨烯,然后升高温度至1085~1300℃,进一步在石墨烯下面生长出二维过渡金属碳化物晶体;从而,制备出石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构,后续刻蚀掉铜基底得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构。
3.按照权利要求2所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的化学气相沉积生长:以上层铜箔/底层金属箔片构成的双金属叠片作为生长基体,在低于铜熔点的高温化学气相沉积过程中,率先在铜基体表面生长石墨烯,然后升高温度至高于铜熔点,金属箔片提供金属原子,铜箔熔化后作为金属原子的扩散通道,控制扩散到铜中的金属原子的数量,进而与液态铜催化裂解碳源形成的碳原子反应,在石墨烯与液态铜界面处形成二维金属碳化物晶体,从而得到石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料;
(2)高分子聚合物保护层的涂覆:在石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的表面均匀地涂覆一层高分子聚合物,对其进行保护,以防止其在后续转移过程中发生破坏;
(3)铜基底的刻蚀:用铜的刻蚀液溶除铜基底,得到高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料复合膜;
(4)高分子聚合物保护层的去除:将得到的高分子聚合物/石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料复合膜放置在目标基体上,用有机溶剂将覆盖在石墨烯表面的高分子聚合物保护膜溶解去除。
4.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于,底层采用的金属箔片为钼片、钨片、钽片、钛片、铌片、铬片或钒片,金属箔片的厚度为10μm ~1.0 mm,铜箔厚度为100nm~100μm,纯度为98wt%~99.9999wt%。
5.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于,化学气相沉积反应过程中,碳源为碳氢化合物:甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷、乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上;或者,碳源为固体碳源:无定形碳、石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。
6.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于,化学气相沉积反应过程中,载气为氢气或者氢气与惰性气体的混合气体。
7.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于,化学气相沉积生长金属碳化物的温度为1085℃~1300℃,生长时间为1秒~600分钟。
8.按照权利要求2或3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于,铜的刻蚀液为过硫酸铵水溶液、四氯化锡水溶液或氯化铁水溶液。
9.按照权利要求3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于,采用高分子聚合物对石墨烯/二维金属碳化物垂直异质结构材料保护,将石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料转移到其他基体上,高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。
10.按照权利要求3所述的高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料的制备方法,其特征在于,除去铜基底后,用有机溶剂去除高分子聚合物保护层,采用的有机溶剂为酮类、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710429238.XA CN109019569B (zh) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | 高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710429238.XA CN109019569B (zh) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | 高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN109019569A CN109019569A (zh) | 2018-12-18 |
CN109019569B true CN109019569B (zh) | 2021-05-28 |
Family
ID=64629636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201710429238.XA Active CN109019569B (zh) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | 高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN109019569B (zh) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AU2020232976A1 (en) * | 2019-03-01 | 2021-09-23 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Vertical branched graphene |
CN110040725B (zh) * | 2019-03-13 | 2022-08-09 | 中国科学院金属研究所 | 一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法 |
CN110429174B (zh) | 2019-08-14 | 2021-11-05 | 孙旭阳 | 石墨烯/掺杂二维层状材料范德瓦尔斯异质结超导复合结构、超导器件及其制备方法 |
CN113582173A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-02 | 上海交通大学 | 通过共价键连接的石墨烯-金刚石共价异质结构及其制备方法 |
CN113789590B (zh) * | 2021-08-30 | 2024-03-22 | 常州富烯科技股份有限公司 | 石墨微片径向排列的石墨纤维及其制备方法 |
CN114044512B (zh) * | 2021-11-22 | 2023-10-20 | 上海大学 | 一种利用固态碳源在复合强磁场下稳定制备石墨烯的方法 |
CN114384140B (zh) * | 2021-12-07 | 2024-05-03 | 山东师范大学 | 石墨烯/碲化钨异质结构的生物传感器及制备方法与应用 |
CN118084542B (zh) * | 2024-04-22 | 2024-07-23 | 中南大学 | 一种浸渍催化cvd热解石墨涂层的方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106145103A (zh) * | 2016-08-10 | 2016-11-23 | 中国人民大学 | 一种基于石墨烯的二维层状异质结的制备方法 |
CN106319628A (zh) * | 2015-07-06 | 2017-01-11 | 中国科学院金属研究所 | 一种高质量超薄二维过渡族金属碳化物晶体及其制备方法 |
CN106409957A (zh) * | 2016-11-21 | 2017-02-15 | 天津理工大学 | 一种大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料 |
CN106756871A (zh) * | 2016-11-14 | 2017-05-31 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 一种过渡金属硫族化合物二维材料—石墨烯异质结构及其原位生长方法 |
-
2017
- 2017-06-08 CN CN201710429238.XA patent/CN109019569B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106319628A (zh) * | 2015-07-06 | 2017-01-11 | 中国科学院金属研究所 | 一种高质量超薄二维过渡族金属碳化物晶体及其制备方法 |
CN106145103A (zh) * | 2016-08-10 | 2016-11-23 | 中国人民大学 | 一种基于石墨烯的二维层状异质结的制备方法 |
CN106756871A (zh) * | 2016-11-14 | 2017-05-31 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 一种过渡金属硫族化合物二维材料—石墨烯异质结构及其原位生长方法 |
CN106409957A (zh) * | 2016-11-21 | 2017-02-15 | 天津理工大学 | 一种大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
2D WC single crystal embedded in graphene for enhancing hydrogen;Mengqi Zeng等;《Nano Energy》;20170131;第33卷(第2017期);全文 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN109019569A (zh) | 2018-12-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109019569B (zh) | 高质量石墨烯/二维金属碳化物晶体垂直异质结构材料及其制备方法 | |
CN106319628B (zh) | 一种高质量超薄二维过渡族金属碳化物晶体及其制备方法 | |
TWI608060B (zh) | 石墨烯於基材上之大面積沉積以及包括其之產品 | |
US8227685B2 (en) | Graphene sheet comprising an intercalation compound and process of preparing the same | |
CN110040725B (zh) | 一种快速制备高质量均匀层数石墨烯薄膜的方法 | |
TWI509099B (zh) | 異質磊晶生長石墨烯之脫製及傳送技術及使用它之產品 | |
US8592291B2 (en) | Fabrication of large-area hexagonal boron nitride thin films | |
US20100021708A1 (en) | Large-Area Single- and Few-Layer Graphene on Arbitrary Substrates | |
KR101513136B1 (ko) | 그래핀 필름의 제조방법, 그래핀 필름, 및 이를 포함하는 전자 소자 | |
TW201111278A (en) | Large area deposition and doping of graphene, and products including the same | |
CN104649259A (zh) | 一种大单晶石墨烯及其制备方法 | |
WO2021174527A1 (zh) | 一种黑磷薄膜、其制备方法和应用 | |
US20200109487A1 (en) | Method for epitaxial growth of single crystalline heterogeneous 2d materials and stacked structure | |
US10246795B2 (en) | Transfer-free method for forming graphene layer | |
CN103613094A (zh) | 一种同时制备石墨烯和多孔非晶碳薄膜的方法 | |
KR20170035323A (ko) | 무전사식 그래핀층의 형성 방법 | |
Wang et al. | Wafer‐Scale Single Crystal Hexagonal Boron Nitride Layers Grown by Submicron‐Spacing Vapor Deposition | |
KR101466482B1 (ko) | 산화 반응성 금속을 이용한 에칭 프리 그래핀 성장 방법 | |
CN113718227B (zh) | 一类二维层状三元化合物及其制备方法 | |
Tobeñas et al. | Growth of Cd (1− x) ZnxTe epitaxial layers by isothermal closed space sublimation | |
Wong | Chemical vapor deposition growth of 2D semiconductors | |
Oh et al. | Large-scale, single-oriented ZnO nanostructure on h-BN films for flexible inorganic UV sensors | |
CN108396377B (zh) | 一种高质量单层多晶石墨烯薄膜的制备方法 | |
CN113755820A (zh) | 一种大面积单层半导体二维ws2薄膜材料及其制备方法和应用 | |
KR102270354B1 (ko) | 단결정 이종 2차원 물질의 애피택셜 성장 방법 및 적층 구조체 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |