一种定位制备石墨烯薄膜的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及石墨稀薄膜的制备，尤其涉及一种在衬底的特定位置定位制备石墨稀薄膜的方法。
【背景技术】
[0002]物理上，石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面二维材料，是单个碳原子厚度的二维材料，其厚度为0.334nm。石墨烯具有卓越的二维电学、光学、热学、力学性能以及化学稳定性，其独特的二维结构和优异的晶体学质量使得其在超快速微纳光电子器件，射频器件，洁净能源和各类传感器等领域具有重要的实用价值。比如，电子在石墨烯里遵循相对论量子力学，没有静质量，以1/300光速的超高速度运行，表现出奇异的室温量子霍尔效应及弹道输运现象，可制备室温弹道输运晶体管，被视为未来信息纳米器件的重要基础新材料；石墨稀电子传输速度是娃的150倍，有望制备出速度达到兆赫的超快速计算机与射频器件；石墨烯的单分子度的敏感性有望在各种传感器如气体传感器和生物传感器等得到广泛地应用；石墨烯具有2.3%光吸收的光学特性使其可以用于制备超快速光探测器和锁模激光器，另一方面，由于极低的光吸收，这使石墨烯既可用于制备光电子器件如发光二极管和太阳能电池等的透明电极从而取代成本昂贵，资源稀少，不可折叠的由铟为主要成分的ITO透明导电膜。
[0003]石墨稀薄膜的制备包括微机械剥离法、碳偏析(surface segregat1n)、化学气相沉积法(CVD)。其中，尽管机械剥离法能够得到高质量的石墨烯片层、有一定的定位可操作性，但效率低，片层的层数与大小随机性大、难于控制。CVD和碳偏析可实现大面积制备石墨烯薄膜，并且所制备的石墨烯薄膜的质量也高。
[0004]制备各类光电子器件，往往需要将关键的功能材料形成一定的图案或图案化。目前的CVD和碳偏析制备石墨烯薄膜基本上都是在整片的衬底上形成石墨烯薄膜，而不能够在衬底的特定位置上制备石墨烯薄膜，即不能够定位可控制备石墨烯薄膜。
[0005]中国发明专利CN102897750B，将预先合成的石墨烯薄膜小片放置在衬底上，然后在此衬底上以此石墨烯薄膜小片作为大面积石墨烯薄膜生长的诱导点，采用来自于含有碳原子的气体碳源、固体碳源、液体碳源或者其复合碳源材料而释放的碳原子来生长石墨烯薄膜。
[0006]中国专利申请CN103265018A，在绝缘基底上由催化剂诱导直接制备大面积石墨烯技术，其包括如下步骤:A.制备绝缘衬底/含碳聚合物/金属催化剂的一种结合体；B.在非氧化气氛中，高温处理上述所得结合体，使含碳聚合物分解得到与绝缘衬底直接接触的石墨烯；C.刻蚀金属催化剂，制备了石墨烯。该技术方案采用金属催化剂催化制备石墨烯，采用金属催化剂制备石墨烯薄膜是本领域常用的方法，但不具备在衬底上定位制备石墨烯薄膜的功能。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种定位制备石墨烯薄膜的方法，该方法能够在衬底的特定位置制备石墨烯薄膜，获得定位、定点的石墨烯薄膜可控性制备。
[0008]一种定位制备石墨烯薄膜的方法，在合成石墨烯薄膜的过程中使用诱导剂，所述的定位制备是由诱导剂而诱导石墨烯薄膜在衬底的特定位置上成核与生长。
[0009]由诱导剂诱发的石墨烯薄膜在衬底上的制备是指石墨烯薄膜的成核是由诱导剂触发的，即石墨烯薄膜优先在含有诱导剂的衬底位置成核与生长；相对而言，在没有诱导剂的衬底位置成核几率小或者成核速率低。
[0010]本发明所述的诱导剂的功能是触发、诱导石墨烯薄膜在衬底上成核和生长而不是抑制、阻止石墨烯薄膜在衬底上成核和生长；通过这种诱导性而在衬底上实现优先成核和生长，从而达到石墨烯薄膜在衬底上的定位制备、可控制备。本发明所述的诱导剂不同于本领域制备石墨烯薄膜时所采用的金属催化剂。
[0011]所述的诱导剂为含氧基团，包括氧气、氧原子、水和氢氧基中的一种或其任意组入口 O
[0012]所述的含氧基团可以存在于所述的衬底中、衬底表面和制备石墨烯薄膜的设备腔室中的一种或其任意组合；所述的含氧基团优选存在于衬底中和衬底表面中的一种或其任意组合。
[0013]一种定位制备石墨烯薄膜的方法，包括:使衬底拥有含氧基团，然后采用本领域的技术方法如化学气相沉积法或碳偏析法制备石墨烯薄膜。
[0014]使衬底拥有含氧基团的技术方法为本领域常规的技术方法，包括但不局限于采用离子注入的方法在衬底中注入氧原子；使衬底氧化、然后分解；在含有氧气或水蒸气的环境中使氧气或水蒸气扩散到衬底中或被衬底表面吸附等。
[0015]所述的衬底为金属、半导体和绝缘体中的一种或任意组合，金属包括但不局限于N1、Pt、Co、Fe、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Rh、S1、Ta、T1、Pd、Ru、Ir、Re 等，半导体包括但不局限于S1、Ge、GaN、ZnO、CuO、Cu2O、GaSe、GaP、GaAs 等，绝缘体包括但不局限于 S12、SiC、BN、HfO2、Al2O3' Si3N4' TaO2等。
[0016]石墨烯是由蜂窝状的单层碳原子组成的二维结构材料，又被称为单层石墨，在物理特性上，通常认为十层以上石墨烯堆积的材料就是三维结构的石墨。因此，本发明所指的石墨烯薄膜为由I层至10层的石墨烯而构成的薄膜，并有可能存在结构缺陷以及杂质原子。
[0017]本发明的特点和效果是能够实现在衬底的特定位置可控性制备高质量的石墨烯薄膜，为石墨烯薄膜的集成光电子应用奠定了基础；采用的诱导剂简单、安全、可靠；使衬底拥有诱导剂的步骤为常规技术方法、简单易行。本发明所采用的诱导剂不同于本领域制备石墨烯薄膜时所采用的金属催化层，这种金属催化层不具备定位制备石墨烯薄膜的功會K。
【附图说明】
[0018]图1为本发明定位制备石墨烯薄膜的基本步骤示意图，其中I为衬底，2为诱导剂，3为石墨烯薄膜。
[0019]图2为本发明实施例1在铜箔衬底上定位制备石墨烯薄膜的扫描电子显微镜照片。
[0020]图3为本发明所制备的石墨烯薄膜转移到Si/Si02上后进行测试的照片，其中:
[0021]图3(a)为实施例1所制备的光学显微镜照片，图3(b)为实施例1所制备的单层的石墨烯的拉曼图谱，图3(c)由实施例3所制备的由3层石墨烯构成的石墨烯薄膜的拉曼图谱，图3(d)为实施例5制备的缺陷较多的石墨烯薄膜的拉曼图谱。
[0022]图4为本发明在铜箔上定位制备石墨烯薄膜的俄歇电子谱仪的照片和在所标位置的俄歇电子谱。其中:图4(a)和图4(b)为实施例1的结果，图4(c)和图4(d)为实施例4的结果.
[0023]图5为本发明实施例1在铜箔富氧位置制备的石墨烯薄膜的俄歇电子谱仪的元素分布照片，其中图5(a)为扫描显微镜照片，图5(b)为碳元素(来自石墨烯的碳)俄歇电子信号照片，图5(c)为氧元素俄歇电子信号照片。
【具体实施方式】
[0024]如图1所示:本发明的技术方法与常规的制备石墨烯薄膜方法不同之处在于:本发明采用了诱导剂，诱导剂能够诱导石墨烯薄膜在衬底的特定位置成核与生长；本发明的技术方法包括步骤I，使衬底暴露在诱导剂的气氛中或者使衬底含有诱导剂，步骤I I，采用本领于的技术方法如CVD方法或碳偏析法等方法制备石墨烯薄膜。其中，图1的标记I指衬底，2指诱导剂，3指石墨稀薄膜。
[0025]实施例1
[0026]采用常规的铜箔，在铜箔上定位制备石墨烯薄膜，包括以下基本步骤:
[0027](I)将从 Sigma-Aldrich 公司购买的铜涫(Sigma-Aldrich, #349208)，在 H3PO