一种镍铜（111）合金单晶薄膜的制备方法以及由此得到的镍铜（111）合金单晶薄膜技术

本发明专利技术涉及一种镍铜（111）合金单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：S1，提供蓝宝石基片；S2，在蓝宝石基片的晶面Al2O3(0001)上沉积50‑5000nm厚的金属薄膜，得到沉积有镍铜合金的蓝宝石衬底，其中，该金属薄膜为镍原子占原子总数的1‑40％的由镍原子和铜原子组成的合金薄膜；S3，将蓝宝石衬底放入化学气相沉积炉中，在氩气和氢气的气体氛围中进行退火处理，得到(111)晶向的单晶薄膜。本发明专利技术还涉及一种根据上述的制备方法得到的镍铜(111)合金单晶薄膜。根据本发明专利技术的制备方法获得的镍铜(111)合金单晶薄膜，极大地提高石墨烯的性能，为下一步石墨烯在微电子领域中的应用奠定基础。

A preparation method of nickel-copper (111) alloy single crystal film and the obtained nickel-copper (111) alloy single crystal film

The invention relates to a preparation method of nickel-copper (111) alloy single crystal film, which includes the following steps: S1, providing sapphire substrate; S2, depositing 50 5000 nm thick metal film on the crystal plane Al2O3 (0001) of sapphire substrate to obtain sapphire substrate deposited with nickel-copper alloy, in which nickel atoms occupy atoms. The alloy films consisting of nickel and copper atoms account for 1 40% of the total. In S3, sapphire substrates are annealed in a chemical vapor deposition furnace in argon and hydrogen atmosphere to obtain (111) single crystal films. The invention also relates to a nickel copper (111) alloy single crystal film obtained according to the above preparation method. The nickel-copper (111) alloy single crystal film obtained by the preparation method according to the present invention greatly improves the properties of graphene and lays a foundation for the application of graphene in the field of microelectronics in the next step.

【技术实现步骤摘要】
一种镍铜(111)合金单晶薄膜的制备方法以及由此得到的镍铜(111)合金单晶薄膜
本专利技术涉及合金单晶薄膜，更具体地涉及一种镍铜(111)合金单晶薄膜的制备方法以及由此得到的镍铜(111)合金单晶薄膜。
技术介绍
石墨烯材料具有优异的光电性能，未来在微电子、能源、生物探测等领域具有重要的应用，引起各界的广泛关注。而目前石墨烯的生长材料主要是金属铜箔材料。由于金属铜箔表面粗糙、起伏大、催化能力比较弱，所以在铜箔衬底表面生长出的石墨烯质量低下，严重地限制未来其在微电子领域中的应用。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的石墨烯的生长材料导致的石墨烯质量低下的问题，本专利技术旨在提供一种镍铜(111)合金单晶薄膜的制备方法以及由此得到的镍铜(111)合金单晶薄膜。本专利技术提供一种镍铜(111)合金单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：S1，提供蓝宝石基片；S2，在蓝宝石基片的晶面Al2O3(0001)上沉积50-5000nm厚的金属薄膜，得到沉积有镍铜合金的蓝宝石衬底，其中，该金属薄膜为镍原子占原子总数的1-40％的由镍原子和铜原子组成的合金薄膜；S3，将蓝宝石衬底放入化学气相沉积炉中，在氩气和氢气的气体氛围中进行退火处理，得到(111)晶向的单晶薄膜。根据本专利技术的制备方法中的蓝宝石基片，可以与金属薄膜的合金原子的外延进行匹配；根据本专利技术的制备方法中的金属薄膜被选择为特定的镍铜原子比，可以确保合金薄膜的催化性能；根据本专利技术的制备方法中的金属薄膜被选择为特定的厚度，可以确保金属薄膜在退火处理中不会发生破损的同时确保实现合金薄膜的单晶化；根据本专利技术的制备方法中的化学气相沉积被选择为特定的气体氛围，可以确保实现合金薄膜的单晶化，特别地，既能起到保护合金薄膜在退火过程中不被氧化，又能提高镍铜原子运动的动能。其中，Al2O3(0001)指的就是蓝宝石的C面，也被称为蓝宝石(0001)。实验表明，蓝宝石的R面或A面均无法实现合金薄膜的单晶化。其中，该金属薄膜中的镍和铜原子的纯度是99.999％。也就是说，铜和镍原子总数占金属薄膜原子总数的99.999％。所述步骤S1包括：提供蓝宝石片；对蓝宝石片进行清洗；以及将清洗后的蓝宝石片放入马弗炉中进行高温退火，从而得到蓝宝石基片。优选地，该蓝宝石片为对角线长度为2-6英寸的片材。马弗炉中进行的高温退火的温度为1100℃。所述步骤S2包括：在将蓝宝石基片加热至100℃～900℃的同时以0.1nm/min～100nm/min的速率进行沉积。优选地，对蓝宝石基片进行加热的方式为辐射加热或电阻加热。所述步骤S2具体为：通过磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、或分子束外延进行沉积。所述步骤S2具体为：同时沉积镍铜原子；或者先沉积镍原子后再沉积铜原子；或者先沉积铜原子后再沉积镍原子。化学气相沉积炉中进行的退火处理包括保温阶段、退火阶段和降温阶段。优选地，保温阶段能够极大地提高薄膜结晶质量，而退火阶段能够确保实现薄膜的单晶化。保温阶段的温度范围为200℃～600℃，保温时间为10min～240min；退火阶段的温度范围为600℃～1100℃，退火时间为10min～240min。由常温至保温阶段的升温速率为0.1℃/min～50℃/min；由保温阶段升温至退火阶段的升温速率为0.1℃/min～50℃/min；由退火阶段降温至常温的降温速率为0.01℃/min～100℃/min。常温升至保温阶段的氩气和氢气比为(10～1000sccm)：(1～500sccm)；保温阶段的氩气和氢气比为(10～1000sccm)：(1～300sccm)；保温阶段升温至退火阶段的氩气和氢气比为(10～1000sccm)：(1～300sccm)；退火阶段的氩气和氢气比为(10～1000sccm)：(1～100sccm)；降温阶段的氩气和氢气比为(10～1000sccm)：(1～50sccm)。本专利技术还提供一种根据上述的制备方法得到的镍铜(111)合金单晶薄膜。根据本专利技术的制备方法，采用蓝宝石外延的方法制备镍铜单晶薄膜，获得的镍铜(111)合金单晶薄膜，具有原子级平整度(起伏度不高于0.5nm)，从而通过该平整的衬底来确保生长的石墨烯不会产生褶皱，从而确保石墨烯的电学磁学性能和导热性能不会由于褶皱的存在而降低，提高石墨烯质量。另外，根据本专利技术的制备方法获得的镍铜(111)合金单晶薄膜，通过合金中的镍原子来提供较低温度下对甲烷、乙烷、乙炔等有机气体进行分解的超高催化能力，从而实现石墨烯的高效性催化生长。特别地，石墨烯在根据本专利技术的制备方法获得的镍铜(111)合金单晶薄膜上的生长可以在800℃以下进行，低于铜上的最低生长温度900℃。总之，根据本专利技术的制备方法获得的镍铜(111)合金单晶薄膜，极大地提高石墨烯的性能，为下一步石墨烯在微电子领域中的应用奠定基础。附图说明图1是根据本专利技术的第一实施例得到的镍铜(111)合金单晶薄膜的照片；图2是根据本专利技术的第一实施例得到的镍铜(111)合金单晶薄膜的扫描光学显微镜照片；图3是根据本专利技术的第一实施例得到的镍铜(111)合金单晶薄膜的扫描电子显微镜照片；图4是根据本专利技术的第一实施例得到的镍铜(111)合金单晶薄膜的原子力显微镜照片；图5是根据本专利技术的第一实施例得到的镍铜(111)合金单晶薄膜的面外X射线衍射图；图6是根据本专利技术的第一实施例得到的镍铜(111)合金单晶薄膜的面内X射线衍射图；图7是根据本专利技术的第二实施例得到的镍铜(111)合金单晶薄膜的照片；图8是根据本专利技术的第三实施例得到的镍铜(111)合金单晶薄膜的照片。具体实施方式下面结合附图，给出本专利技术的较佳实施例，并予以详细描述。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例1步骤a：选用2英寸的蓝宝石片。步骤b：对蓝宝石片进行清洗，放入去离子水中超声30min，用高纯氮气枪吹扫干净；放入丙酮溶液中超声30min，用高纯氮气枪吹扫干净。步骤c：将蓝宝石片放入马弗炉中进行高温退火，退火温度1100℃，退火12小时，自然降温至常温，得到蓝宝石基片。步骤d：采用磁控溅射的方法，在蓝宝石基片的晶面Al2O3(0001)上沉积600nm厚的金属薄膜，蓝宝石基片被加热至温度200℃，溅射速率(沉积速率)20nm/min，氩气0.5pa，功率400w，得到沉积有镍铜合金的蓝宝石衬底(镍铜/蓝宝石)。步骤e：对镍铜/蓝宝石进行退火处理。将蓝宝石衬底放入化学气相沉积炉中进行退火处理。以10℃/min的升温速率升至600℃，氩气和氢气的比例是500sccm：40sccm；在600℃条件下保温60min，氩气和氢气的比例是500sccm：20sccm；由600℃以10℃/min升温速率升至1000℃，氩气和氢气的比例是500sccm：20sccm；在1000℃条件下退火60min，氩气和氢气的比例是500sccm：10sccm；退火后以4℃/min的降温速率将至常温，氩气和氢气的比例是500sccm：5sccm，得到镍铜(111)合金单晶薄膜。对形貌进行表征：对所得的镍铜(111)合金单晶薄膜的形貌进行表征，其中，图1是所得的镍铜(111)合金单晶薄膜的照片；图2是所得的镍铜(111)合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镍铜(111)合金单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，提供蓝宝石基片；S2，在蓝宝石基片的晶面Al2O3(0001)上沉积50‑5000nm厚的金属薄膜，得到沉积有镍铜合金的蓝宝石衬底，其中，该金属薄膜为镍原子占原子总数的1‑40％的由镍原子和铜原子组成的合金薄膜；S3，将蓝宝石衬底放入化学气相沉积炉中，在氩气和氢气的气体氛围中进行退火处理，得到(111)晶向的单晶薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种镍铜(111)合金单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，提供蓝宝石基片；S2，在蓝宝石基片的晶面Al2O3(0001)上沉积50-5000nm厚的金属薄膜，得到沉积有镍铜合金的蓝宝石衬底，其中，该金属薄膜为镍原子占原子总数的1-40％的由镍原子和铜原子组成的合金薄膜；S3，将蓝宝石衬底放入化学气相沉积炉中，在氩气和氢气的气体氛围中进行退火处理，得到(111)晶向的单晶薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：提供蓝宝石片；对蓝宝石片进行清洗；以及将清洗后的蓝宝石片放入马弗炉中进行高温退火，从而得到蓝宝石基片。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，马弗炉中进行的高温退火的温度为1100℃。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：在将蓝宝石基片加热至100℃～900℃的同时以0.1nm/min～100nm/min的速率进行沉积。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：通过磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、或分子束外延进行沉积。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：同时沉积镍铜原子；或者先沉积镍原子后再沉积铜原子；或者先沉积铜原子后再沉积镍原子...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学富，王浩敏，吴天如，谢晓明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31