在含硅层基材表面上形成石墨烯层的方法技术

本发明专利技术涉及一种在含硅层(101)的基材(100)表面上形成石墨烯层(105)的方法，所述方法包括以下连续步骤：在所述硅层的自由表面上形成（1）碳化硅膜(103)；以及逐步加热该基材，直到至少该碳化硅膜的第一排原子中的硅升华，从而在所述碳化硅膜上形成石墨烯层。根据本发明专利技术，使用了自由表面为阶梯式的硅层。

Method for forming graphene layer on substrate surface of silicon containing layer

The invention relates to a silicon containing layer (101) of the substrate (100) formed on the surface of graphene layer (105) method, the method comprises the following steps: continuous formed on the free surface of the silicon layer on the silicon carbide film (1) (103); and gradually heating the substrate, the first row until at least the atomic SiC film of silicon sublimation, thus forming the graphene layer on the silicon carbide film. In accordance with the present invention, a free surface is used as a ladder type silicon layer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及在含硅层基材表面上形成石墨烯层的方法。在本申请中，将使用常规的阶梯术语，其中梯面指放脚的表面，梯级竖板指在两梯面之间延伸的表面，梯面宽度是梯级竖板到梯级竖板的梯面深度，梯级高度是从梯面到梯面之间的梯级竖板的高度……专利技术背景石墨是具有结晶结构的碳的同素异形体，其由一堆通过碳原子形成的六角形环平面组成，一个环平面称为石墨烯。在本申请中，词语“石墨烯层”将理解成既包括单一的环平面和一堆的数个环平面，在后者中各个环平面相对于在该堆中的其它环平面是旋转的。具体地，在后一种情况下，各个环平面(石墨烯)的性质与其它环平面的性质无关，由此使它与石墨块不同，在石墨块中各个环平面和其它环平面具有基本上相同的性质。石墨烯具有独特的电子性质，将彻底改变电子领域。但是，石墨烯是一种难以分离的材料。因此，在最近几年中，已经进行了许多研究项目，试图理解石墨烯的电子性质并制造这种材料。目前，有两种主要方法用于制造石墨烯层。第一种方法称为剥离法，该法涉及使用粘附胶带从本体石墨基材提取薄带。在这样提取的带上再次实施该操作，以获得新的更薄的带。重复该过程，直到获得单个原子层样品，即一层石墨烯。但是，已证明难以从工业角度实施这种方法。第二种方法涉及在碳化硅基材表面上形成石墨烯层。逐步加热基材，直到至少在该基材的第一原子晶格阵列中的硅升华，从而在所述基材的自由表面上形成石墨烯层。但是，已证明这种方法实施起来非常昂贵，因为碳化硅基材具有非常高的价格。最近，已开发了第三种方法，该方法是对前述两种方法的改进。所述第三种方法涉及在含硅层基材表面上形成石墨烯层，并依次包括以下步骤：－在硅层的自由表面上形成碳化硅膜；以及－逐步加热该基材，直到至少该碳化硅膜的第一原子晶格阵列中的硅升华，从而在所述碳化硅膜上形成石墨烯层。形成碳化硅膜允许形成“结合”层，使得能形成石墨烯。使用这类基材大大降低了制备这种石墨烯层的成本，因为硅基材或含硅层基材比碳化硅基材便宜很多。但是，已观察到以这种方式形成的石墨烯层包含许多裂纹。图1a和1b是使用上述第三种方法形成的石墨烯层一部分的照片，图1b是图1a中区域I的放大图。图4a和4b分别示意性地复制了图1a和图1b中所示的照片。参考图1a、1b、4a、4b，可清楚地看到裂纹。为了获得高质量的石墨烯层，随后精确地将石墨烯层分离成被裂纹限定的各种片。因此，使用这种方法只可形成直径约5-10微米的小片石墨烯。已经提出，通过在受控的氩气流下加热基材来改善所述第三种方法。专利技术人观察到，这不能阻止裂纹形成。专利技术主题本专利技术的目的是提供一种在包含硅层和位于该硅层上的碳化硅膜的基材表面上形成石墨烯层的方法，这种方法允许获得比现有方法所能实现的更高质量的石墨烯层。专利技术概述为了这个目的，提供了一种用于在含硅层基材表面上形成石墨烯层的方法，所述方法依次包括以下步骤：-在所述硅层的自由表面上形成碳化硅膜；以及-逐步加热该基材，直到至少该碳化硅膜的第一原子晶格阵列中的硅升华，从而在所述碳化硅膜上形成石墨烯层。根据本专利技术，使用了具有阶梯式自由表面的硅层。令人惊讶的是，阶梯式硅层允许形成具有高得多的晶体和电子质量的碳化硅膜。图2a和2b是使用第三种现有技术方法形成的碳化硅膜的一部分的照片，在第一晶体方向(图2a)和第二晶体方向(图2b)上。图5a和5b分别示意性地复制了图2a和图2b中所示的照片。图2c和2d是使用根据本专利技术的方法形成的碳化硅膜的一部分的照片，在第一晶体方向(图2c)和第二晶体方向(图2d)上。图5c和5d分别示意性地复制了图2c和图2d中所示的照片。因此，参考图2a至2d和5a至5d，可知通过本专利技术的方法获得的碳化硅膜比现有技术的碳化硅膜具有更均匀的晶体结构。专利技术人已发现从碳化硅膜形成的石墨烯对该碳化硅膜的质量特别敏感，且对该碳化硅膜的自由表面的质量尤其敏感。因此，阶梯式硅层允许形成质量高得多的碳化硅膜，由此允许形成质量高得多的石墨烯。具体来说，专利技术人已发现在通过现有技术方法形成的石墨烯层所观察到的裂纹至少有部分原因在于基材。具体来说，当加热基材直到在该碳化硅膜中的硅升华时，事实证明在基材中的硅原子也趋于在该碳化硅膜表面处升华，并通过在所述基材和所述膜中的晶体缺陷(如反占位缺陷)扩散进入所述基材和所述碳化硅膜。这将使人想起在晶体结构中，位点是被给定元素占据的。当所述位点被另一种元素的原子占据时，就说存在反占位缺陷。因为在碳化硅膜中，特别是在所述膜和所述基材之间界面处的固有机械应变，这迫使基材硅原子升华，导致冷却基材时这样形成的石墨烯中出现裂纹。因此，碳化硅膜中的缺陷数目越小，从所述基材扩散进入该碳化硅膜的硅原子数目越小。因此，可通过控制碳化硅膜的晶体质量来限制裂纹的出现。根据本专利技术，阶梯式硅层允许形成质量高得多的碳化硅膜。例如，碳化硅膜包含数目小得多的反占位缺陷，甚至完全不包含该缺陷。因此，阻止了在石墨烯层中出现裂纹，由此允许获得质量高得多的石墨烯。例如，专利技术人由此已经能够获得尺寸为几平方厘米的石墨烯层。从工业上来说，这种方法使得高速碳基电子技术更加吸引人。因此，石墨烯可用作碳基电子组件的理想平台。优选地，所述方法允许形成大的石墨烯层片，而与硅层或碳化硅膜的晶体结构无关，与硅层的晶体结构的方向无关，硅层的自由表面相对于该方向取向。附图简述如果参考附图，根据下文对本专利技术的具体的非限制性实施方式的描述，将能更好地理解本专利技术，其中除了图1a、1b、4a、4b、2a、2b、2c、2d、5a、5b、5c和5d如上所述以外，图3示意性地显示了根据本发明的方法的各种阶梯。具体实施方式参考图3，本专利技术方法的第一步骤1涉及使用含硅层101的基材100。根据本专利技术，使用了具有梯级自由表面的硅层101，该梯级自由表面包括通过梯级竖板104分隔的梯面102。在第二步骤2中，在硅层101的自由表面上形成碳化硅膜103(图3中放大了碳化硅膜的厚度，以使图3易于理解)。硅层101是阶梯式的事实，并不意味着必须改变用于在硅层表面上形成碳化硅膜的常规方法。例如，已知通过化学气相沉积、分子束外延或气相外延等来形成这种碳化硅膜。因为硅层101的自由表面是阶梯式的，因此形成的碳化硅膜103也是阶梯式的，并包括通过梯级竖板107分隔的梯面106。令人惊讶的是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在含硅层(101)的基材(100)表面上形成石墨烯层(105)的方法，所述方法依次包括以下步骤：‑在所述硅层的自由表面上形成碳化硅膜(103)；以及‑逐步加热该基材，直到至少该碳化硅膜的第一原子晶格阵列中的硅升华，从而在所述碳化硅膜上形成石墨烯层。所述方法的特征在于，使用了具有阶梯式自由表面的硅层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.30 FR 11588181.一种用于在含硅层(101)的基材(100)表面上形成石墨烯层(105)的方
法，所述方法依次包括以下步骤：
-在所述硅层的自由表面上形成碳化硅膜(103)；以及
-逐步加热该基材，直到至少该碳化硅膜的第一原子晶格阵列中的硅
升华，从而在所述碳化硅膜上形成石墨烯层。
所述方法的特征在于，使用了具有阶梯式自由表面的硅层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阶梯式表面包括被梯
级竖板(104)分隔的梯面(102)，该梯级竖板(104)具有基本上相同的梯级高
度(h)，而所述梯面具有基本上相同的梯面宽度(g)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阶梯式自由表面包括
被梯级竖板(104)分隔的梯面(102)，该梯级竖板(104)基本上垂直...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·欧厄吉，
申请(专利权)人：中央科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国;FR