一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法.pdf

本发明提供一种化学气相沉积法（CVD）石墨烯薄膜区域择优选取的方法，包括以下步骤：1）提供一长有CVD石墨烯的金属衬底；2）将长有石墨烯的生长衬底置于反应腔中，并于保护气体气氛中将所述生长衬底加热至预设温度；3）通入反应气体，于预设气压下使该反应气体与所述石墨烯反应预设时间，使石墨烯中的缺陷区域被刻蚀去除；4）将反应后的石墨烯转移至目标衬底表面，获得质量较高的石墨烯材料。本发明通过对生长衬底上的CVD石墨烯薄膜进行原位刻蚀，将有缺陷的石墨烯刻蚀掉，留下质量更高的石墨烯材料；本发明的方法重复性高、简单易行，并且可控性强，适合微电子应用的工业制备。

权利要求书
1.  一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）提供一长有CVD石墨烯的金属衬底；
2）将长有石墨烯的金属衬底置于反应腔中，并于保护气体气氛中将所述生长衬底加热至预设温度；
3）通入反应气体，于预设气压下使该反应气体与所述石墨烯反应预设时间，使石墨烯中的缺陷区域被刻蚀去除。

2.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：还包括步骤4）将反应后的石墨烯转移至目标衬底表面。

3.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：所述金属衬底为铜、钴、镍中的一种或者包含其中元素的合金。

4.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：步骤1）所述的石墨烯包括连续的石墨烯薄膜以及不连续的石墨烯单晶中的一种或两种。

5.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：所述预设温度的范围为20～1200℃。

6.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：所述预设气压的范围为0.1～7600torr。

7.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：所述预设时间的范围为0.1～99999min。

8.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：所述反应气体包括氢气、氨气、氧气中的一种或两种以上组合。

9.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：所述的缺陷区域包括石墨烯中的单晶晶界、表面褶皱、断裂、孔洞及破损中的一种或两种以上组合。

10.  根据权利要求1所述的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其特征在于：所述保 护气体包括氮气及氩气中的一种或组合。

说明书一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯薄膜微结构制备领域，特别是涉及一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法。
背景技术
自2004年两位在俄罗斯出生的科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov发表第一篇有关石墨烯的论文后，石墨烯在科学界激起了巨大的波澜，它的出现有望在现代电子科技领域引发新一轮革命。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它具有高透光率、高电子迁移率、高电流密度、高机械强度、易于修饰等等优点。另外，因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
由于石墨烯具备上述很多优越的性能，正因为这些特性，它被公认为制造透明导电薄膜、高频晶体管、储氢电池，乃至集成电路的理想材料，具有广阔的市场应用前景。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。
CVD石墨烯（采用化学气相沉积法制备的石墨烯）具有大的连续面积和较高的电学性质，因此，CVD石墨烯在微电子器件量产方面具有巨大的应用前景。CVD石墨烯薄膜中存在很多诸如晶界、褶皱、破损等缺陷，这些缺陷是影响CVD石墨烯质量的主要原因，尤其是对微纳米级的小尺寸器件影响更大。因此，在石墨烯微纳米器件制备中，如果可以避开这些缺陷，便可以使器件性能得到较大提高。由于前边提到的那些缺陷尺寸在纳米级，需要超高放大倍数的原子力显微镜才能观察到，在器件制备的时候很难避开。
因此，本发明提供一种CVD石墨烯区域择优选取的方法，主要思想是利用完美石墨烯相对缺陷处的石墨烯性质更加稳定这一事实，通过让CVD石墨烯与其他物质反应，将有缺陷的 石墨烯刻蚀掉，剩下的石墨烯质量更高，从而达到区域择优选取的目的。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，用于解决现有技术中CVD石墨烯薄膜中存在大量的缺陷区域，容易导致使用其所制备的石墨烯器件性能降低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，至少包括以下步骤：
1）提供一长有CVD石墨烯的金属衬底；
2）将长有石墨烯的金属衬底置于反应腔中，并于保护气体气氛中将所述生长衬底加热至预设温度；
3）通入反应气体，于预设气压下使该反应气体与所述石墨烯反应预设时间，使石墨烯中的缺陷区域被刻蚀去除。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，还包括步骤4）将反应后的石墨烯转移至目标衬底表面。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，所述生长衬底为铜、钴、镍中的一种，或者含有其中元素的合金。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，步骤1）所述的石墨烯包括连续的石墨烯薄膜以及不连续的石墨烯单晶中的一种或两种。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，所述预设温度的范围为20～1200℃。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，所述预设气压的范围为0.1～7600torr。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，所述预设时间的范围为0.1～99999min。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，所述反应气体包括氢气、氨气、氧气中的一种或两种以上组合。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，所述的缺陷区域包括石墨烯中的单晶晶界、表面褶皱、断裂、孔洞及破损中的一种或两种以上组合。
作为本发明CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法的一种优选方案，所述保护气体包括氮气及氩气中的一种或组合。
如上所述，本发明提供一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，包括以下步骤：1）提供一长有CVD石墨烯的金属衬底；2）将长有石墨烯的金属衬底置于反应腔中，并于保护气体气氛中将所述金属衬底加热至预设温度；3）通入反应气体，于预设气压下使该反应气体与所述石墨烯反应预设时间，使石墨烯中的缺陷区域被刻蚀去除；4）将反应后的石墨烯转移至目标衬底表面，获得质量较高的石墨烯材料。本发明通过对生长衬底上的CVD石墨烯薄膜进行原位刻蚀，将有缺陷的石墨烯刻蚀掉，留下质量更高的石墨烯材料；本发明的方法重复性高、简单易行，并且可控性强，适合微电子应用的工业制备。
附图说明
图1显示为本发明的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法所采用的反应腔的结构示意图。
图2显示为本发明的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法步骤流程示意图。
图3显示为本发明的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法中，反应前的石墨烯光镜图。
图4示为本发明实施例1中的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法中，反应后的石墨烯的光镜图。
图5示为本发明实施例2中的CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法中，反应后的石墨烯的光镜图。
元件标号说明

具体实施方式
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。
请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图1～图2所示，本实施例提供一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，至少包括以下步骤：
如图2所示，首先进行步骤1）S11，提供一长有CVD石墨烯的金属衬底；
作为示例，所述金属衬底为铜、钴、镍中的一种，或者含有其中元素的合金。当然，上述几种金属衬底仅仅为本发明的较优选的方案，本领域技术人员可以依据需求选择其他一切适用于石墨烯生长的金属衬底，并不限定于此处所列举的几种。
采用化学气相沉积法制备的石墨烯，可以获得大面积的连续石墨烯，但是，这种方法制备的石墨烯往往具有较多的缺陷区域，所述缺陷区域包括石墨烯中的单晶晶界、表面褶皱、断裂、孔洞及破损中的一种或两种以上组合等。在本实施例中，所述石墨烯包括连续的石墨烯薄膜以及不连续的石墨烯单晶中的一种或两种，并且，所述石墨烯单晶可以为一切形状及尺寸。
如图2所示，然后进行步骤2）S12，将长有石墨烯的金属衬底置于反应腔中，并于保护气体气氛中将所述生长衬底加热至预设温度。
所述反应腔的结构如图1所示，该反应腔包括加热炉体102，位于所述加热炉体两端的进气口101及出气口105，位于加热炉体102中央区域的生长衬底托104、以及包围于所述加热炉体102的石英管103。
具体地，首先，将所述长有石墨烯的生长衬底置于所述生长衬底托上，然后采用真空装置通过所述出气口对所述加热炉体进行抽真空操作，之后，通过所述进气口通入保护气体，所述保护气体包括氮气及氩气中的一种或组合等不与所述石墨烯发生反应的气体，在本实施例中，所述保护气体为氩气，其流量为500sccm。最后，通过所述生长衬底托对所述金属衬底及表面的石墨烯进行加热至预设温度，所述预设温度的范围为20～1200℃，在本实施例中，所述预设温度为950℃。
如图2所示，接着进行步骤3）S13，通入反应气体，于预设气压下使该反应气体与所述石墨烯反应预设时间，使石墨烯中的缺陷区域被刻蚀去除，可以获得基本没缺陷的高质量的石墨烯。
作为示例，所述反应气体包括氢气、氨气、氧气中的一种或两种以上组合等可以与石墨烯缺陷区域反应并将该缺陷区域去除的气体。在本实施例中，所述反应气体为氢气，该氢气的流量为200sccm。
作为示例，所述预设气压的范围为0.1～7600torr，在本实施例中，所述预设气压为常压。
作为示例，所述预设时间的范围为0.1～99999min，在本实施例中，所述预设时间为20min。
经过上述反应后，停止通入氢气，同时停止加热，并保持所述保护气体冷却到室温，可以是快速降温或随炉体缓慢降温，降温速率可以是0.1℃/s～100℃/s中的任意一种。
如图2所示，最后进行步骤4）S14，将反应后的石墨烯转移至目标衬底表面。
作为示例，所述目标衬底可以为硅衬底、锗硅衬底等。转移后便可依据需求制作不同功能的石墨烯器件。
图3显示为反应前的石墨烯单晶的光镜图，而图4为反应后的石墨烯的光镜图，由图4可以清楚的看到刻蚀后石墨烯单晶表面出现了很多条状的沟。所述条状的沟为刻蚀掉的部分，即石墨烯单晶中的缺陷区域。图4中被刻蚀的部分主要是石墨烯单晶在降温时形成的褶皱缺陷区域，反应后留下的缺陷区域更少，可以获得质量会更高的石墨烯单晶。
实施例2
如图1～图2所示，本实施例提供CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，其基本步骤如实施例1，其中，所述保护气体为氩气、所述预设温度为1050℃、所述反应气体为氢气，所述预设时间为5min。
图3显示为反应前的石墨烯单晶的光镜图，图5显示为本实施反应后的石墨烯单晶的光镜图。由图可见，刻蚀后石墨烯单晶表面被刻蚀出了很多条状的沟，这些沟是包含线状褶皱的石墨烯被刻蚀掉的结果。另外，除了条状的沟以外，还出现了一些圆形的坑，这些坑是包含点缺陷（如孔洞、破损等）的石墨烯被刻蚀的结果。反应后留下的缺陷区域更少，可以获得质量会更高的石墨烯单晶。
如上所述，本发明提供一种CVD石墨烯薄膜区域择优选取的方法，包括以下步骤：1）提供一长有石墨烯的金属衬底；2）将长有石墨烯的金属衬底置于反应腔中，并于保护气体气氛中将所述生长衬底加热至预设温度；3）通入反应气体，于预设气压下使该反应气体与所述石墨烯反应预设时间，使石墨烯中的缺陷区域被刻蚀去除；4）将反应后的石墨烯转移至目标衬底表面，获得质量较高的石墨烯材料。本发明通过对生长衬底上的CVD石墨烯薄膜进行原位刻蚀，将有缺陷的石墨烯刻蚀掉，留下质量更高的石墨烯材料；本发明的方法重复性高、 简单易行，并且可控性强，适合微电子应用的工业制备。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。