石墨烯的合成与转移

大面积石墨烯的合成与转移实验

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。它的出现引起了全世界的研究热潮，并且以惊人的速度在发展。它不但对物理化学方面的纳米技术产生了重大影响，而且对材料科学和工程以及各个学科之间的纳米技术也产生了重大的影响。本实验中，大面积石墨烯的合成是通过化学气相沉积法（CVD）来合成，石墨烯的转移主要采用湿法转移来实现。

【实验目的】

1、理解利用化学气相沉积法合成纳米材料的方法；

2、熟悉双温区管式炉的操作；

3、掌握大面积石墨烯合成的过程；

4、掌握大面积石墨烯的湿法转移过程。

【实验原理】

1、化学气相沉积（CVD）的基本原理

化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD （Chemical Vapor Deposition）技术。这种方法是把含有构成薄膜元素的一种或者几种化合物的单质气体提供给基片，利用加热、等离子体、紫外线乃至激光等能源，借助气相作用或者基片表面的化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜。由于CVD法是一种化学合成的方法，所以可以制备多种物质的薄膜。如各种单晶、多相或非晶态无机薄膜。CVD法制备薄膜的过程，可分为以下几个主要阶段：（1）反应气体向基片表面扩散；（2）反应气体吸附于表面；（3）在基片表面上发生化学反应；（4）在基片表面产生的气相副产物脱离表面而扩散掉或被真空泵抽走，在基片上留下不会发的固体反应物—薄膜。

2、大面积石墨烯在铜箔上的生长机理

对于石墨烯这一新型的二维纳米材料在铜箔上生长的机理来说，暂时还没有确切的理论

来解释，但目前比较流行的说法是：表面催化作用是石墨烯在铜箔上生长的主要机制（在镍

箔上主要是析出机制），甲烷在铜箔的催化下被分解，碳原子键断裂并在铜箔的表面以sp2

杂化键重新形成并连接生成石墨烯（如图1所示为石墨烯制备过程图）。上述过程发生在图

1中所示的甲烷分解阶段，而不是在降温阶段。如果在铜的表面覆盖上一层石墨烯，铜箔的

催化作用将会基本丧失，这样铜的表面在生长完单层的石墨烯后便很难再生长更多层得石墨烯，这种生长过程被称为自限制生长，所以在铜箔上更容易得到均一单层的石墨烯。

3、大面积石墨烯的湿法转移技术

该技术主要是运用“基体刻蚀”法实现CVD 法合成石墨烯的转移。在生长过的石墨烯的铜箔的表面旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）后，用酸刻蚀掉铜，然后将其转移至目标基底上，最后用丙酮除去聚甲基丙烯酸甲酯。不过，这种方法所得到的石墨烯容易破裂，这可能是由于平整度的不同导致石墨烯与基底不能够完全接触所致。目前为止，在铜箔上生长的石墨烯很多都是采用湿法转移法的。

【实验装置】

双温区管式炉主要由炉腔、温度控制面板、加热丝、热电偶、石英管、减压阀、进气阀、出气阀、放气阀、保温砖等组成。如图2所示。

图2

【实验步骤】

1、大面积石墨烯的合成

（1）放样：将25μm厚的铜箔裁剪成7cm×7cm大小，放入管式炉的石英管中热电偶

中心处，封闭好管式炉，上紧螺丝。打开机械泵开关，打开进气阀，打开出气阀至最大，将

管内压强抽到最小后关闭出气阀。

和甲烷气体瓶的阀打开，打开真空流量计，将氢气的流量控制阀打（2）洗气：将H

2

到阀控档，灌入氢气，减压阀指针大概在0.6pa左右，氢气流量控制阀打到关闭档，打开出

气阀至最大，将管内的气体抽调至最小。将氢气的流量控制阀打到通气档，数值调到10sccm。

（3）设置程序：按照图一设置好程序即可。

(4) 取样：待温度降到室温后，关闭进气阀和出气阀，关闭机械泵，打开石英管螺

丝，打开放气阀，取出表面长有石墨烯的铜箔。

2、大面积石墨烯的转移

将表面长有石墨烯的铜箔裁剪成所需要的大小，用匀胶机在3600rad/s的转速下，旋涂

上6%聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的溶液。然后放入刻蚀液（硫酸铜：盐酸：水=1:5:5）中刻

蚀半个小时，铜刻蚀完毕后即可转移到任意衬底上。

3、大面积石墨烯质量的初步检测

将1cm×1cm大小、刻蚀完毕的石墨烯转移到石英玻璃衬底上，放入烘箱中60℃烘20min 后，放入丙酮中浸泡，去掉PMMA，用万用表测量其电阻，两表笔的距离为1mm左右，得出电

阻数值，即可初步判断合成石墨烯的质量。

【思考题】

1、转移石墨烯时，采用的刻蚀液是硫酸铜、盐酸和水的混合溶液，那为什么能把铜给刻蚀掉

呢？

2、在合成的过程中，石墨烯的质量会受到那些因素的影响？