一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，所述方法包括，提供一衬底，于所述衬底上使用CVD工艺进行石墨烯生长，形成石墨烯层；于所述石墨烯层上形成一保护层，所述保护层完全覆盖所述石墨烯层；使用离子注入技术通过所述保护层向所述石墨烯层中注入掺杂元素；除去所述保护层，裸露出所述石墨烯层；使用CVD工艺对裸露出的所述石墨烯层进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯中由于离子注入引起的缺陷，进而形成掺杂石墨烯层。利用本发明专利技术的技术方案，可制备可控掺杂量的n型或p型的高质量石墨烯，可通过控制注入区域，制备图案化掺杂的石墨烯；本发明专利技术的技术方案可适用于使用CVD工艺在衬底X上生长的石墨烯的掺杂，应用范围广。

A Method of Preparing Doped Graphene by Ion Implantation

The invention provides a method for preparing doped graphene by ion implantation, which includes providing a substrate, using CVD process to grow graphene on the substrate, forming a graphene layer, forming a protective layer on the graphene layer, completely covering the graphene layer, and using ion implantation. The entry technology injects doping elements into the graphene layer through the protective layer, removes the protective layer and exposes the graphene layer, and repairs the exposed graphene layer by CVD process to repair defects in the graphene caused by ion implantation, thereby forming doped graphene. Layer. By using the technical scheme of the invention, n-type or p-type high-quality graphene with controllable doping amount can be prepared, and patterned doped graphene can be prepared by controlling the injection area. The technical scheme of the invention can be applied to doping graphene grown on substrate X by CVD process and has wide application range.

【技术实现步骤摘要】
一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法
本专利技术涉及石墨烯掺杂领域，特别是涉及一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是一种零带隙的半导体，其价带和导带在布里渊区内呈狄拉克锥形基础，并具有良好的导电率、极高的电子迁移率和独特的光学特性。这使得开发具有高性能石墨烯基的半导体功能器件成为了研究的热点，然而，本征石墨烯的零带隙特点限制了其在微电子领域的应用。因此，对于石墨烯能带的调控成了研究的重点。掺杂是调控石墨烯能带结构的有效手段，石墨烯的掺杂一般有两种方法，一是吸附掺杂，二是晶格掺杂。对于吸附掺杂，是在石墨烯表面吸附掺杂量，由于掺杂物中电子的最高占据轨道能级和石墨烯的费米能级不同，从而产生电荷转移，从而得到调控石墨烯带隙的目的。如果石墨烯的费米能级较低，那么电荷就会向石墨烯转移，形成n型掺杂，石墨烯的费米能级升高；如果石墨烯的费米能级较低，那么电荷就会由石墨烯转移到掺杂物，形成p型掺杂，石墨烯费米能级降低。对于晶格掺杂，是在石墨烯中，用掺杂物原子取代石墨烯中的碳原子，与其他周围的碳原子成键，改变石墨烯的能带结构。一般情况，如果掺杂原子的价电子多于探原子的4个价电子，则会形成n型掺杂；如果掺杂原子的价电子少于碳源的4个价电子，则会形成p型掺杂。然而，目前掺杂石墨烯的制备面临着工艺复杂、掺杂浓度不可控、掺杂区域不可控、石墨烯质量较差等问题。因此，开发一种工艺简单，掺杂剂量可控、掺杂区域可控的石墨烯掺杂方法，成为本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，用于解决现有技术中石墨烯掺杂工艺复杂、掺杂浓度不可控、掺杂区域不可控、石墨烯质量较差的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，所述方法包括：S10、提供一衬底，于所述衬底上使用CVD工艺进行石墨烯生长，形成石墨烯层；S20、于所述石墨烯层上形成一保护层，所述保护层完全覆盖所述石墨烯层；S30、使用离子注入技术从所述保护层的上表面向所述石墨烯层中注入掺杂元素；S40、除去所述保护层，裸露出所述石墨烯层；S50、使用CVD工艺对裸露出的所述石墨烯层进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯中由于离子注入引起的晶格损伤，使掺杂原子移动到晶格点，将掺杂原子激活，进而形成掺杂石墨烯层。在本专利技术的一个优选实施方案中，在步骤S50中还包括，在步骤S50中还包括，于惰性气氛下对裸露出的所述石墨烯层进行退火，接着使用CVD工艺对退火后的所述石墨烯进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯层中由于离子注入引起的晶格损伤，使掺杂原子移动到晶格点，将掺杂原子激活，进而形成掺杂石墨烯层。在本专利技术的一个具体实施方案中，所述退火温度为800-930℃。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述保护层的厚度为10-200nm，所述保护层的厚度由所述掺杂元素的注入能量决定，以确保所述石墨烯层的上表面处的掺杂元素浓度最高。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述保护层包括氧化铝层、氧化铪层、氮化硅层、氧化硅层和氮氧化硅层的其中之一或者多几种的组合。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述衬底包括锗衬底，硅衬底，蓝宝石衬底中的一种。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述石墨烯生长的生长气氛包括甲烷、乙烯、乙炔、苯、PMMA及石墨中的一种或几种与氢气的混合气体。在本专利技术的一个具体实施方案中，所述石墨烯生长的生长气氛为甲烷和氢气的混合气体。在本专利技术的一个具体实施方案中，所述石墨烯生长的生长温度为900～930℃，优选为916℃；生长时间为120-300min，优选为240min；所述甲烷和氢气的体积流量比为1：10～1：30，优选为1：15。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述石墨烯修复生长的生长气氛包括甲烷、乙烯、乙炔、苯、PMMA及石墨中的一种或多种与氢气的混合气体。在本专利技术的一个具体实施方案中，所述石墨烯修复生长的生长气氛为甲烷和氢气的混合气体。在本专利技术的一个具体实施方案中，所述石墨烯修复生长的生长温度为900～930℃；生长时间为60～120min；所述甲烷和氢气的体积流量比为1：20～1：40。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述石墨烯包括单层石墨烯，双层石墨烯或多层石墨烯。在本专利技术的一个优选实施方案中，进行n型掺杂时所述掺杂元素选用氮元素，磷元素，砷元素或其组合；进行p型掺杂时所述掺杂元素选用硼元素，氯元素，氧元素，硫元素或其组合。在本专利技术的一个优选实施方案中，使用离子注入技术通过所述保护层向所述石墨烯层中注入掺杂元素包括如下步骤：在所述保护层上形成图案化掩膜层，暴露所述石墨烯层中需要掺杂区域正上方对应的所述保护层；使用离子注入技术通过被所述图案化掩模层暴露出的所述保护层表面向所述石墨烯层中注入掺杂元素。在本专利技术的一个具体实施方案中，所述图案化掩膜层包括光刻胶。如上所述，本专利技术的一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，具有以下有益效果：本专利技术的方法，可制备可控的n型或p型的高质量石墨烯；本专利技术的方法，可通过控制注入区域，制备图案化掺杂的石墨烯本专利技术的方法，可通过控制离子注入能量和剂量，灵活调节石墨烯的掺杂量；本专利技术的方法，可适用于使用CVD工艺在衬底X上生长石墨烯的掺杂，因此应用范围广。附图说明图1显示为本专利技术的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法的流程示意图。图2显示为本专利技术的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法中于衬底表面形成石墨烯层和保护层的示意图。图3显示为本专利技术的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法中通过保护层向石墨烯层注入掺杂离子的示意图。图4显示为本专利技术的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法中获得掺杂石墨烯层的示意图。图5显示为利用本专利技术的方法制备的掺氮石墨烯和未掺杂石墨烯的XPS谱图。元件标号说明1衬底2掺杂石墨烯层20石墨烯层3保护层S10～S50步骤具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1-5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。如图1所示，为了解决现有技术中石墨烯掺杂工艺复杂、掺杂浓度不可控、掺杂区域不可控、石墨烯质量较差的问题，本专利技术提供一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，所述方法包括：执行步骤S10、如图2所示，提供一衬底1，于所述衬底1上使用CVD工艺进行石墨烯生长，形成石墨烯层20。在一个实施方案中，所述衬底1包括但不限于锗衬底，硅衬底，蓝宝石衬底，凡是能使用CVD方法在其上生长石墨烯的衬底都可以应用于本专利技术，不以本专利技术为限。在一个具体的实施方案中，所述衬底1可选用锗衬底。在一个实施方案中，所述石墨烯层20包括单层石墨烯，双层石墨烯或多层石墨烯。在一个实施方案中，所述石墨烯生长的生长气氛包括甲烷、乙烯、乙炔、苯、PMMA及石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括：S10、提供一衬底，于所述衬底上使用CVD工艺进行石墨烯生长，形成石墨烯层；S20、于所述石墨烯层上形成一保护层，所述保护层完全覆盖所述石墨烯层；S30、使用离子注入技术从所述保护层的上表面向所述石墨烯层中注入掺杂元素；S40、除去所述保护层，裸露出所述石墨烯层；S50、使用CVD工艺对裸露出的所述石墨烯层进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯层中由于离子注入引起的晶格损伤，使掺杂原子移动到晶格点，将掺杂原子激活，进而形成掺杂石墨烯层。

【技术特征摘要】
1.一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括：S10、提供一衬底，于所述衬底上使用CVD工艺进行石墨烯生长，形成石墨烯层；S20、于所述石墨烯层上形成一保护层，所述保护层完全覆盖所述石墨烯层；S30、使用离子注入技术从所述保护层的上表面向所述石墨烯层中注入掺杂元素；S40、除去所述保护层，裸露出所述石墨烯层；S50、使用CVD工艺对裸露出的所述石墨烯层进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯层中由于离子注入引起的晶格损伤，使掺杂原子移动到晶格点，将掺杂原子激活，进而形成掺杂石墨烯层。2.根据权利要求1所述的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在步骤S50中还包括，于惰性气氛下对裸露出的所述石墨烯层进行退火，接着使用CVD工艺对退火后的所述石墨烯进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯层中由于离子注入引起的晶格损伤，使掺杂原子移动到晶格点，将掺杂原子激活，进而形成掺杂石墨烯层。3.根据权利要求2所述的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于：所述退火温度为800-930℃。4.根据权利要求1所述的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于：所述保护层的厚度由所述掺杂元素的注入能量决定，以确保所述石墨烯层的上表面处的掺杂元素浓度最高。5.根据权利要求4所述的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于：所述保护层的厚度为10-200nm。6.根据权利要求1所述的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于：所述保护层包括氧化铝层、氧化铪层、氮化硅层、氧化硅层和氮氧化硅层的其中之一或者几种的组合。7.根据权利要求1所述的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征在于：所述衬底包括锗衬底，硅衬底，蓝宝石衬底中的一种。8.根据权利要求1所述的利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张苗，高敏，韩晓雯，贾鹏飞，薛忠营，狄增峰，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：上海,31