一种新型石墨烯材料及其器件的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种新型的复合金属诱导制备以及催化处理石墨烯获得石墨烯网格结构，利用该网格结构制备石墨烯晶体管，属于纳米材料微电子领域。其技术特征在于：采用复合金属薄膜，利用化学气相沉积法生长石墨烯，石墨烯层数为1-20，采用小孔模板衍射辅助氧化钛光催化方法，获得石墨烯网格结构，利用该网格结构作为沟道层，制备石墨烯场效应管晶体管。本发明专利技术工艺简单，过程易控制，导电性能优异，制备成本低，适合于低维复合材料及微纳电子领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料及微纳电子的
，更具体地，涉及一种新型石墨烯材料及其器件的制备方法。
技术介绍
石墨烯是由碳六元环组成的两维 (2D) 周期蜂窝状点阵结构，它是构建其它维数碳基材料 (0D的富勒烯，1D的碳纳米管和3D的石墨) 的基本单元。石墨烯独特的晶体结构使其具有优异性质，如高热导性、高机械强度、奇特的电学性质和光学性质。因此，石墨烯在场发射、电极材料、复合功能材料等领域具有广阔的应用前景。目前石墨烯器件中石墨烯的获得一般采用将制备好的石墨烯经过衬底剥离，然后转移到特定衬底，该过程成功率低、器件界面特性差，严重影响到器件的性能。而且，由于石墨烯零带隙的自然属性，无法调制电荷，严重限制了石墨烯在微纳电子中的应用。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种新型石墨烯材料及其器件的制备方法，其结合原位制备石墨烯与微纳器件制备，可以解决石墨烯作为微纳电子器件应用的关键问题。本专利技术采用复合金属薄膜，利用化学气相沉积法生长石墨烯，石墨烯层数为1-20，采用氧化钛光催化方法，获得石墨烯网格结构，利用该网格结构作为沟道层，制备石墨烯场效应管晶体管。该材料制备方法简单，过程易控制，导电性能优异，制备成本低，器件制备工艺兼容现代半导体工艺。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种新型石墨烯材料及其器件的制备方法，其中，原位制备石墨烯以及利用小孔模板光栅辅助光催化获得石墨烯网格结构，利用该网格结构制备场效应晶体管，其具体制备步骤如下：(1) 以复合金属模板为催化剂，放入化学气相沉积反应室，加热至反应温度25-1000oC，恒温0-60 min后，导入碳源、氢气和保护气，气体流量为1-1000 sccm，反应时间0.1s至60 min，反应完毕，控制降温速率为1-1000 oC/min，或者自然降温，冷却至室温。通过升温阶段温度控制，可以有效地选择反应表面；降温阶段温度控制决定了石墨烯的质量。(2) 将制备产物放入置于紫外灯下，利用小孔模板获得一定尺度的强弱变化的光场，光经过光催化层产生的高能氧化基团，光强区可以氧化基团的活性，利用明暗场下不同的刻蚀效果，得到石墨烯网格结构材料；其中，利用小孔掩膜板得到衍射斑，掩膜板的小孔孔径为1-1000nm，以TiO2作为光催化层，TiO2厚度为1-1000nm；(3) 通过光刻技术，以石墨烯网格为沟道层，制备场效应管晶体管。步骤 (1) 中，化学气相沉积法所采用的碳源包括：气态碳源 （甲烷、乙烯、乙炔、乙烷、丙烷以及它们的混合气），液态碳源（甲醇、乙醇、丙醇以及它们的混合液体）和固态碳源（聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷）。采用的保护气包括：氮气、氩气、氦气以及它们的混合气。步骤 (1) 中，采用的复合材料为镍、铜、金、铂、铷、钌、铱、钴、铁、锰、铬、钼、碳中两种及以上的复合材料。所述的步骤 (1) 中，获得的石墨烯层数为1-20。步骤 (2) 中，所用紫外光源波长为10-450nm。 该波长通过掩膜板后，可以发生光衍射现象，该衍射现象造成光强弱的变化。步骤（2）中，采用氧化钛材料为光催化剂，紫外灯经过带有光催化剂的掩膜板照射石墨烯后，得到1-1000nm 孔径的石墨烯网格结构。利用上述衍射现象获得的强弱光场，在强场区可以可以（比暗场区）更有效地的刻蚀石墨烯，该刻蚀方法可以获得小尺寸的石墨烯网络互连通道。步骤（3）中利用光刻技术，获得一定图形的石墨烯网格，利用金属或者碳材料作为场效应管的源极与漏极，金属可以是铜、镍、金、铂、银、钛、铟、钯及其合金；碳材料可以是石墨烯、碳纳米管、及其二者混合材料，场效应管绝缘层是无机材料或者有机材料，无机材料可以是氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化硅、氧化钛、硅酸铪、硅酸锆及其以上两种以上的复合层，有机材料可以是聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷及其两种以上的复合层，以及上述无机与有机材料复合层，栅电极金属为铝、铜、镍、金、铂、ITO、FTO、NTO、AZO。与现有技术相比，有益效果是：本专利技术采用复合金属薄膜，利用化学气相沉积法生长石墨烯，石墨烯层数为1-20，采用氧化钛光催化方法，获得石墨烯网格结构，利用该网格结构作为沟道层，制备石墨烯场效应管晶体管。该材料制备方法简单，过程易控制，导电性能优异，制备成本低，器件制备工艺兼容现代半导体工艺。附图说明图1为复合金属表面的石墨烯扫描电镜照片；图2为石墨烯的Raman光谱；图3为小孔模板衍射光催化石墨烯网格结构示意图图4为石墨烯网格结构Raman光谱；图5为石墨烯场效应管晶体管制备示意图；图6为石墨烯场效应管晶体管的电学特性。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。实施例1(1) 在石英玻璃上溅射制备1μm的铜和200nm的镍薄膜，置于化学气相沉积（CVD）设备，通入高纯氩气和氢气，比例是1:1,1小时内升温到1000 oC，保温10分钟，将氩气与氢气比例调整为300:20，通入高纯甲烷，比例为2，10分钟后关闭甲烷，快速降温，获得原位制备的石墨烯，图片见图1扫描电镜和图2 Raman光谱，该石墨烯为单层结构。(2) 将步骤 (1) 制备产物在置于氧化钛模板下，采用300nm波长的紫外灯照射5分钟，获得石墨烯网格结构，过程示意见图3，Raman光谱见图4，。(3) 通过常规半导体工艺，以原位铜、镍为源漏电极，网格状石墨烯为沟道，通过磁控溅射制备200nm的氧化铝薄膜作为介质层，溅射500nm铝作为栅电极，工艺过程见图5，器件电学测试见图6。 实施例2制备方法基本同实施例1，不同之处为：步骤 (1) 中，溅射制备1μm的铜和400nm的镍薄膜。后续工艺一致，获得多层石墨烯结构，Raman光谱见图6。显然，本专利技术的上述实施例仅仅是为清楚地说明本专利技术所作的举例，而并非是对本专利技术的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本专利技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利技术权利要求的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型石墨烯材料及其器件的制备方法，其特征在于，原位制备石墨烯以及利用光催化获得石墨烯网格结构，利用该网格结构制备场效应晶体管，其具体制备步骤如下：(1)?以复合金属模板为催化剂，放入化学气相沉积反应室，加热至反应温度25?1000?oC，恒温0?60?min后，导入碳源、氢气和保护气，气体流量为1?1000?sccm，反应时间0.1s至60?min，反应完毕，控制降温速率为1?1000?oC/min，或者自然降温，冷却至室温；(2)?将制备产物放入置于紫外灯下，利用小孔掩膜板得到衍射斑，小孔孔径为1?1000nm，以TiO2作为光催化层，TiO2厚度为1?1000nm，照射后得到石墨烯网格结构材料；(3)?通过光刻技术，以石墨烯网格为沟道层，制备场效应管晶体管。

【技术特征摘要】
1.一种新型石墨烯材料及其器件的制备方法，其特征在于，原位制备石墨烯以及利用光催化获得石墨烯网格结构，利用该网格结构制备场效应晶体管，其具体制备步骤如下：
(1) 以复合金属模板为催化剂，放入化学气相沉积反应室，加热至反应温度25-1000 oC，恒温0-60 min后，导入碳源、氢气和保护气，气体流量为1-1000 sccm，反应时间0.1s至60 min，反应完毕，控制降温速率为1-1000 oC/min，或者自然降温，冷却至室温；
(2) 将制备产物放入置于紫外灯下，利用小孔掩膜板得到衍射斑，小孔孔径为1-1000nm，以TiO2作为光催化层，TiO2厚度为1-1000nm，照射后得到石墨烯网格结构材料；
(3) 通过光刻技术，以石墨烯网格为沟道层，制备场效应管晶体管。
2.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯材料及其器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤 (1) 中，化学气相沉积法所采用的碳源包括：气态碳源、液态碳源、固态碳源；
气态碳源为甲烷、乙烯、乙炔、乙烷、丙烷以及它们的混合气；
液态碳源为甲醇、乙醇、丙醇以及它们的混合液体；
固态碳源为聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷；
步骤 (1) 中采用的保护气包括：氮气、氩气、氦气以及它们的混合气。
3.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯材料及其器件的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴艳丽，梁军，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：