一种调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法技术

技术编号:19241287 阅读:22 留言:0更新日期:2018-10-24 04:29
本发明专利技术涉及一种调控无机半导体异质结材料生长的制备方法,特别是调控石墨烯/碳化硅(Graphene/SiC)纳米异质结生长的方法。所述的制备方法包括如下步骤:1)在清洗后的SiC晶片上溅射催化剂形成催化剂薄膜;2)将聚合物前驱体和带催化剂薄膜的SiC晶片置于石墨坩埚中;3)将高纯石墨坩埚置于气氛烧结炉中,在保护气体的作用下在1520‑1600℃下保温30‑80min进行热处理,随炉冷却至室温,制得Graphene/SiC纳米异质结。本发明专利技术能够实现Graphene/SiC纳米异质结的生长调控;且周期短,工艺可控,在纳米异质结生长的同时即可实现对其组成比例的调控。

【技术实现步骤摘要】
一种调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法
本专利技术涉及一种调控无机半导体异质结材料生长的制备方法,特别是调控石墨烯/碳化硅(Graphene/SiC)纳米异质结生长的方法。
技术介绍
碳化硅(SiC)是第三代半导体的核心材料之一,与元素半导体材料(Si)和其他化合物半导体材料GaAs、GaP和InP相比,它具有很多优点。碳化硅不仅具有较大的带隙(3C、4H、6H型碳化硅在室温下的带隙分别为2.23、3.22、2.86eV),而且具有高临界击穿电场、高热导率、高载流子漂移速度等特点,在高温、高频,大功率,光电子和抗辐射等方面具有巨大的应用前景。碳化硅替代硅,制备光电器件和集成电路,可提高军用电子系统和武器装备性能,以及为抗恶劣环境的电子设备提供新型器件。此外,SiC纳米结构具有很高的硬度、韧性、耐磨性、耐高温性、低的热膨胀系数等优良特性,在制备高性能复合材料、高强度小尺寸复合材料构件、表面纳米增强复合材料以及构筑纳米光电器件等方面具有非常诱人的应用前景。石墨烯(Graphene)材料是10层以下石墨结构的统称。单层石墨烯的晶体结构是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构,厚度只有0.335nm,是目前已知最薄的材料。石墨烯因其晶体结构和电子结构而具有独特的物理现象,被认为是未来新一代的半导体材料,在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广阔的应用前景。例如,石墨烯中的每个碳原子与其它3个碳原子通过强σ键相连,C-C键(sp2)使其成为已知最为牢固的材料之一,且具有优异的稳定性和导热性。其次,因其碳原子有4个价电子的成键方式,石墨烯具有良好的导电性、优异的电子迁移率(室温下可以超过15000cm2/(V·s))、能隙为零的半导体,为目前已发现的电阻率最小的材料。石墨烯独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性使其能够在室温下观测到霍尔效应。另外,石墨烯还具有量子隧道效应及半整数霍尔效应、安德森局域化的弱化现象、永不消失的电导率等特性。此外,石墨烯还具有其它一些优异的物理化学特性,如高吸附性、高化学稳定性、高达2630m2/g的理论比表面积、铁磁性、良好的导热性(3080~5150W/(m·K))等,这些优良性质不仅为凝聚态物理和量子电动力学提供了较好的研究平台,还使其有可能替代Si材料而成为新一代计算机芯片材料,具有广泛的应用潜力。异质结由两种具有独特属性的功能材料相接触所形成的界面区域,具有两种半导体各自PN结皆不能达到的优良光电特性,如高电子发射效率和高电子迁移率等,使其适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。从器件制作的角度出发,通过SiC热分解法直接制备石墨烯/碳化硅(Graphene/SiC)结构,用碳化硅取代硅,制备光电器件和集成电路,可为军用电子系统和武器装备性能的提高,以及抗恶劣环境的电子设备提供新型器件;同时省掉石墨烯薄膜向器件衬底转移的工序,简化工艺流程,降低加工过程对薄膜性能的不利影响,可以提供更加可信的质量和界面,具有良好的可生产性及可重复性。通过SiC热分解实现石墨烯生长的方法已经历十几年,可以直接获得Graphene/SiC结构,无需经过石墨烯转移到器件衬底的工序,降低对石墨烯质量的影响,基本解决了石墨烯生长均匀性和低缺陷的问题。目前,这一技术有望实现Graphene/SiC替代Si在电子器件中的应用。目前文献报道的SiC热分解方法中,主要采用SiC晶片或薄膜作为衬底生长石墨烯薄膜。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题,提供一种调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法,工艺简单,安全性高、可控性好,生产方便,产品稳定性好、灵敏度高。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现:一种调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法,所述的制备方法包括如下步骤:1)在清洗后的SiC晶片上溅射催化剂形成催化剂薄膜;2)将聚合物前驱体和带催化剂薄膜的SiC晶片置于高纯石墨坩埚中;3)将高纯石墨坩埚置于气氛烧结炉中,在保护气体的作用下于1350-1600℃保温30-80min进行热处理,随炉冷却至室温,制得Graphene/SiC纳米异质结。本专利技术先清洗SiC晶片,SiC晶片上溅射催化剂薄膜使催化剂在晶片表面均匀分布,有利于获得分布均匀的SiC纳米线生长点。在上述调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法中,SiC晶片的清洗依次采用丙酮、去离子水和乙醇超声清洗,可重复清洗。在上述调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法中,所述的催化剂为Au、Ag中的一种或两种。在上述调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法中,所述的聚合物前驱体为含有Si和C元素的聚合物前驱体。作为优选,所述的聚合物前驱体为聚硼硅氮烷。聚硼硅氮烷热分解提供生长SiC所需的Si源和C源,同时还提供掺杂元素B,获得B掺杂的SiC纳米线。B掺杂可提高SiC的溶解度、热分散性和导电性等。最重要一点,B掺杂的SiC纳米线表面更粗糙,存在大量的尖角,更利于高温下Si原子的升华,促进Graphene/SiC异质结的形成。在上述调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法中,经处理后的聚合物前驱体和带催化剂薄膜的SiC晶片置于高纯石墨坩埚中时,聚合物前驱体置于坩埚底部,SiC晶片置于粉末上方,带催化剂薄膜面朝向粉末。将粉末置于底部的原因在于:聚合物前驱体热分解成气源,带催化剂的晶片置于上方,利于挥发气体与催化剂接触反应。作为优选,聚合物前驱体的处理为热交联固化和粉碎,便于保存和称量,或直接液态。进一步优选,热交联在管式气氛烧结炉中在保护气体下进行,热交联的温度为230-280℃,时间为20-40min。在230-280℃下能更好的保证原前驱体既能固化又不会分解,不会对原料造成破坏。更进一步优选,热处理的保护气体和热交联处理气氛中的气体均为Ar。SiC生长过程中易受N2环境影响,生成N掺杂的SiC,所以在不需要N掺杂的条件下采用Ar保护更合适。作为优选,所述热解的温度为1520-1600℃。进一步优选,所述热处理的温度为1550℃,热处理时间为30-50min。在此温度下能长出较均匀的SiC纳米线。与现有技术相比,本专利技术具有如下优点:1、本专利技术能够实现Graphene/SiC纳米异质结的生长调控;2、本专利技术周期短,工艺可控,在纳米异质结生长的同时即可实现对其组成比例的调控。附图说明图1为本专利技术实施例1所制得的Graphene/SiC纳米异质结的低倍扫面电镜(SEM)图;图2为本专利技术实施例1所制得的Graphene/SiC纳米异质结的高倍扫面电镜(SEM)图;图3为本专利技术实施例1所制得的Graphene/SiC纳米异质结的高倍扫面电镜(SEM)图;图4为本专利技术实施例1所制得的Graphene/SiC纳米异质结的拉曼(Raman)图谱;图5为本专利技术实施例2所制得的Graphene/SiC纳米异质结的高倍扫面电镜(SEM)图;图6为本专利技术实施例3所制得的Graphene/SiC纳米异质结的高倍扫面电镜(SEM)图;图7为本专利技术实施例4所制得的Graphene/SiC纳米异质结的高倍扫面电镜(SEM)图;图8为本专利技术对比例1本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法,其特征在于,所述的制备方法包括如下步骤:1)在清洗后的SiC晶片上溅射催化剂形成催化剂薄膜;2)将聚合物前驱体和带催化剂薄膜的SiC晶片置于石墨坩埚中;3)将高纯石墨坩埚置于气氛烧结炉中,在保护气体的作用下于1350‑1600℃保温30‑80min进行热处理,随炉冷却至室温,制得Graphene/SiC纳米异质结。

【技术特征摘要】
1.一种调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法,其特征在于,所述的制备方法包括如下步骤:1)在清洗后的SiC晶片上溅射催化剂形成催化剂薄膜;2)将聚合物前驱体和带催化剂薄膜的SiC晶片置于石墨坩埚中;3)将高纯石墨坩埚置于气氛烧结炉中,在保护气体的作用下于1350-1600℃保温30-80min进行热处理,随炉冷却至室温,制得Graphene/SiC纳米异质结。2.根据权利要求1所述的调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法,SiC晶片的清洗依次采用丙酮、去离子水和乙醇超声清洗。3.根据权利要求1所述的调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法,所述的催化剂为Au、Ag中的一种或两种。4.根据权利要求1所述的调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法,其特征在于,所述的聚合物前驱体为含有Si和C元素的聚合物前驱体。5.根据权利要求1或4所述的调控Graphene/SiC纳米异质结生长的方法,其特征在于,所述的聚合物前...

【专利技术属性】
技术研发人员:王霖高凤梅陈善亮杨为佑
申请(专利权)人:宁波工程学院
类型:发明
国别省市:浙江,33

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