单晶铜箔及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备技术，具体涉及一种单晶铜箔及其制备方法。
背景技术
铜箔作为生长石墨烯的有效基底及催化剂，通过化学气相沉积(CVD)法可制备出高质量的石墨烯样品。铜箔的取向，晶界等性质会一定程度上影响石墨烯的畴区大小、形貌、洁净度及光电性质等。而单晶铜箔的制备可以明显减少晶界对石墨烯的影响，且单晶铜箔上生长的石墨烯更能实现无缝拼接。此外，快速的单晶铜箔制备对于以铜箔为基底的二维材料如石墨烯，氮化硼等的制备具有重要意义。目前常用的铜箔单晶化方法为长时间退火或温度梯度晶种长大方法等，长时间退火和温度梯度晶种长大方法可使得到厘米级的单晶铜箔，但此两种方法处理铜箔效率较低，成本较高。
需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术中的至少一种缺陷，提供一种单晶铜箔及其制备方法。该方法快速、简便、适用于制备大面积单晶铜箔，且所制备的单晶铜箔可直接实现石墨烯的生长，避免了传统方法多次操作处理铜箔引起的铜箔褶皱而影响石墨烯性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的一方面提供一种单晶铜箔的制备方法，包括：将铜箔置于氧化性气体氛围中进行预氧化处理，使铜箔表面完全氧化；将表面完全氧化的铜箔置于还原性气体氛围中进行还原处理，得单晶铜箔。
根据本发明的一个实施方式，预氧化处理的时间为1min～180min。
根据本发明的一个实施方式，预氧化处理的温度为300℃～700℃，优选为400℃～500℃。
根据本发明的一个实施方式，氧化性气体选自含氧气体，例如空气、氧气或含有一定氧气占比的混合气体(例如氩氧混气)，还原性气体选自氢气、一氧化碳中的一种或多种。
根据本发明的一个实施方式，还原性气体的流量为100sccm～2000sccm。优选为500sccm～1000sccm。
根据本发明的一个实施方式，还原处理的时间为10min～180min。
根据本发明的一个实施方式，还原处理的压强为50Pa～101.325kPa。
根据本发明的一个实施方式，还原处理的温度为300℃～1000℃。
根据本发明的一个实施方式，单晶铜箔的单晶径向尺寸为5cm～60cm。
本发明的另一方面还提供一种单晶铜箔，采用上述制备方法制得。
本发明的有益效果在于：
本发明提供单晶铜箔及其制备方法。该单晶铜箔的制备方法通过首先对铜箔进行低温气相预氧化处理，再进行还原处理，可去除铜箔表面的有机物等杂质，得到尺寸为5cm～60cm的单晶铜箔，有望通过提高铜箔基底的铜晶粒尺寸，进而提高石墨烯薄膜的结晶性和均匀性。所得的单晶铜箔可以直接作为石墨烯生长基底，实现石墨烯的生长，避免了多次操作铜箔引起的褶皱问题，以提高石墨烯性能；也可以专门用于铜箔基底的预处理以大批量制备单晶铜基底，以应用于其他场合。
本发明预氧化处理过程中，氧化性气体可以为空气或氧气(O2)，也可以为其它含有氧气的混合气体。通入前述的氧化性气体在高温下进行预氧化处理，使铜箔表面完全氧化，同时铜箔表面附着的有机物，存在形式包括皮肤油脂、防锈油、润滑油、松香、石蜡等等，会随之氧化、分解或脱附。这些有机物和其他杂质的分解去除有利于提高石墨烯的生长质量。
总之，本发明的方法是一种均匀、可放量、普适性好、成本低廉、省时省力的基底预处理方法，可以达到与常规电化学抛光相当的基底表面清洁和平整化的效果。同时，本发明的方法还可实现快速批量、低成本、大面积的铜箔表面预处理，具有良好的工业化前景。
附图说明
图1示出了本发明一个实施方式的单晶铜箔的实物图。
具体实施方式
以下内容提供了不同的实施例或范例，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。当然，这些仅仅是范例，而非意图限制本发明。在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应当被视为在本文中具体公开。
本发明的一方面提供一种单晶铜箔的制备方法，包括：将铜箔置于氧化性气体氛围中进行预氧化处理，使铜箔表面完全氧化；将表面完全氧化的铜箔置于还原性气体氛围中进行还原处理，得单晶铜箔。
根据本发明，铜箔作为生长石墨烯的有效基底及催化剂，通过化学气相沉积(CVD)法可制备出高质量的石墨烯样品。铜箔的取向，晶界等性质均会一定程度上影响石墨烯的性能。而单晶铜箔的制备可以明显减少晶界对石墨烯的影响，且单晶铜箔上生长的石墨烯更能实现无缝拼接。现有铜箔单晶化方法为长时间退火或温度梯度晶种长大方法等，但上述方法处理铜箔的效率较低，成本较高。本发明经研究获得了一种新的单晶铜箔的制备方法。该方法通过先将铜箔进行预氧化处理，使铜箔表面完全氧化，附着的有机物分解、脱附，然后再通入还原气体对氧化后的铜箔表面还原，实现铜箔的单晶化制备。
预氧化处理过程中，氧化性气体为含氧气体，例如可以为空气或氧气(O2)，也可以为其它含有氧气的混合气体，例如氩氧混合气体等。在一些实施例中，首先将铜箔放置于载具中，然后铜箔随载具一起放入高温炉内，通入前述的氧化性气体在高温下进行预氧化处理，使铜箔表面完全氧化，同时铜箔表面附着的有机物，存在形式包括皮肤油脂、防锈油、润滑油、松香、石蜡等等，会随之氧化、分解或脱附。其中，高温炉可以为管式炉，但本发明不限于此。
在一些实施例中，预氧化处理的时间不宜过短，否则铜箔表面不能被完全氧化，也不宜过长，否则可能会产生过度氧化，一般氧化铜箔的厚度应为0.5μm～5μm；
在一些实施例中，预氧化处理的温度为300℃～700℃，优选为400℃～500℃。温度过高铜箔会过度氧化，氧化层过厚不易被还原，且温度过高时铜箔完全被氧化还原后形貌会产生变化，温度过低会不完全氧化。一般地，根据氧化温度确定氧化时间。在一些实施例中，氧化时间为1min～180min，可选地，为10min～60min。
还原处理过程中，还原性气体可以为氢气(H2)、一氧化碳中的一种或多种，优选为氢气。
在一些实施例中，铜箔经低温气相预氧化处理后，再向管式炉内通入还原性气体，并继续升温，使氧化后的铜箔表面完全还原，进而得到单晶铜箔。
在一些实施例中，还原性气体的流量可以为100sccm～2000sccm，例如100sccm、1000sccm、2000sccm等，优选为500sccm～1000sccm。流量过低不能将氧化铜箔完全还原，流量过高造成资源浪费。
在一些实施例中，还原处理的时间不宜过长或过短，一般地，可以为10min～180min，可选地，为30min～60min。时间过短不能将氧化铜箔完全还原，时间过长耗时较长，造成资源浪费。
在一些实施例中，还原处理的压强可以为50Pa～101.325kPa。优选地，为100Pa～2000Pa。在一些实施例中，还原处理的温度为300℃～1000℃，温度过低还原速率较慢，效率低，温度过高铜箔会熔化。
综上，本发明通过上述的方法可简单、快速的获得厘米级的单晶铜箔，该方法一般来说其径向尺寸仅受载具尺寸限制，也即，若载具尺寸加大，可制备更大尺寸的单晶金属基底。在一些实施例中，单晶铜箔的单晶径向尺寸为5cm～60cm。例如，如图1所示，其可以达到40cm左右的单晶铜区域(图中较光滑区域)。本发明的方法由于制备过程中操作简单，仅需要将铜箔置于相应的高温炉内进行反应，故本发明的方法可以同时处理多片铜箔，也可以快速处理大面积铜箔，供多种相关场合使用。所得的单晶铜箔可以直接实现石墨烯的生长，避免了多次操作铜箔引起的褶皱问题；也可以专门用于铜箔基底的预处理以大批量制备单晶铜基底，用于其他的应用场合。
下面将通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1
将普通市售铜箔(采用铜箔采购自昆山市禄之发电子科技有限公司)随载具放入管式炉内，通入空气在300℃下预氧化处理60min，使铜箔表面完全氧化，铜箔表面附着的有机物氧化分解并脱附。然后向管式炉内通入氢气，并升高温度至1000℃，还原处理30min后将铜箔表面的氧化铜完全还原，得到单晶尺寸达10cm的单晶铜箔。
实施例2
将普通市售铜箔(采用铜箔采购自昆山市禄之发电子科技有限公司)随载具放入管式炉内，通入空气在400℃下预氧化处理30min，使铜箔表面完全氧化，铜箔表面附着的有机物氧化分解并脱附。然后向管式炉内通入氢气，并升高温度至800℃，还原处理5min后将铜箔表面的氧化铜完全还原，得到单晶尺寸达11cm的单晶铜箔。
实施例3
将普通市售铜箔(采用铜箔采购自昆山市禄之发电子科技有限公司)随载具放入管式炉内，通入氧气在氧气氛围下一直升温到600℃预氧化处理，使铜箔表面完全氧化，铜箔表面附着的有机物氧化分解并脱附。然后向管式炉内通入氢气，并升高温度至1000℃，还原处理30min后将铜箔表面的氧化铜完全还原，得到单晶尺寸达30cm的单晶铜箔。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。
