一种金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法，应用于微电子技术领域。将金属原子引入到SiC的高温裂解过程中，并辅以Ar气氛的保护，不仅可以制备得到大面积规则的外延石墨烯，还可引导外来金属原子直接参与石墨烯片层的生长过程，促使金属原子与C原子之间原子插层或杂化而实现金属原子的掺杂，避免了离子注入对石墨烯整体结构的破坏作用。金属原子束流的预处理是实现掺杂的重要前提，Ar气氛环境抑制了表面孔洞的生成，保证了外延石墨烯样品规则均匀的表面形貌。该发明专利技术技术思路简单，可操作性强，是一种稳定有效的金属原子掺杂方法，可为外延石墨烯的优化制备及性能改性提供重要的指导与借鉴。

Method for preparing large-area regular epitaxial graphene is a metal atom doped.

The invention discloses a preparation method of large area regular epitaxial graphene doped with metal atoms, which is applied to microelectronic technology field. The metal atoms into the pyrolysis process of SiC, and protect the atmosphere with Ar, not only can the epitaxial graphene prepared by a large area of rules, can also guide the outside metal atoms directly involved in the growth process of the graphene layers, the metal atoms and C atoms atoms intercalated or hybrid and metal atoms, to avoid damage to the overall structure of the ion implantation of graphene. The pretreatment of metal atomic beam is an important prerequisite for doping. The Ar atmosphere inhibits the formation of surface pores and ensures the uniform surface morphology of epitaxial graphene samples. The technology is simple and easy to operate, and it is a stable and effective doping method for metal atoms. It can provide important guidance and reference for the optimization preparation and performance modification of epitaxial graphene.

【技术实现步骤摘要】
一种金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法
本专利技术属于二维薄膜材料制备及改性的
，涉及一种金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法。
技术介绍
外延石墨烯是通过单晶SiC基体的高温热解而制得，不需要转移就可以将其直接应用于电子器件的制作，有望成为硅基后摩尔时代的理想候选半导体材料。美国IBM公司已经开发出基于外延石墨烯频率高达300GHz的场效应晶体管，使人们对其在微电子
的应用给予了厚望。近期，越来越多的科研工作者致力于外延石墨烯的大面积制备、金属掺杂及其物理特性的调控。金属原子与石墨烯的交互作用及其对石墨烯几何形态和物性的调控是器件应用的前提。然而，外延石墨烯的大面积制备及其掺杂改性仍然极具挑战性。在传统工艺中，金属掺杂通常是在材料制备完成后通过离子注入方式实现的。但这对于厚度仅为单个原子层的石墨烯而言，并非易事。已有实验研究表明高能离子、电子的轰击作用很容易导致石墨烯晶体结构的畸变以及缺陷的产生，且得到理论模拟的证实。在我们的前期实验中也观察到了外延石墨烯在等离子注入的情况下直接转变为类金刚石结构的现象。这无疑将导致石墨烯及器件物理特性的退化甚至消失。因此，非常有必要探索金属原子对外延石墨烯的无损伤、可控掺杂方法。倘若能在SiC裂解外延石墨烯生长过程中实现金属原子的同步掺杂，即可达到这一目的。本质上，外延石墨烯的生长是经高温条件下SiC表面的Si-C键断裂，Si原子挥发，C原子重新形核、长大的过程。有研究结果表明，大面积外延石墨烯的制备很大程度上取决于SiC的热解氛围。常规真空退火的非平衡裂解过程容易在石墨烯表面产生大量的微孔洞和原子台阶，严重破坏石墨烯片层的平整度，影响其电学特性。但在SiC热解过程中引入Ar气氛，可以制备出具有规则台阶的大面积外延石墨烯，同时，通过快速升降温的快闪退火工艺可以进一步优化外延石墨烯的形貌。由此可以看出，气体气氛有助于减缓Si-C键断裂及Si原子挥发，对C原子的扩散和重组有利。不难想象，与气氛的作用类似，将金属原子引入到SiC的高温裂解过程中，不仅可以优化外延石墨烯的形貌，也可引导外来金属原子直接参与石墨烯片层的生长过程，促使金属原子与C原子之间的插层或杂化等相互作用，同步实现金属原子掺杂，也避免离子注入对石墨烯整体结构的破坏作用。该技术提供了一种稳定有效的金属原子同步掺杂方法，为外延石墨烯的优化制备与性能改性提供重要的指导与借鉴，有利于石墨烯基电子器件的制作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法，该方法基于SiC基材的高温裂解过程，引入金属原子的预处理和Ar保护气氛，同步实现规则外延石墨烯的大面积制备及金属原子掺杂。该工艺简单有效，可操作性强，金属原子种类可调，可望直接应用于石墨烯基电子器件的制作及应用。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法，包括以下步骤：1)采用单晶SiC基片作为外延石墨烯的生长基材；2)将单晶SiC样品在真空制备腔室内加热至530～570℃除气，清除吸附在单晶SiC表面的水汽和残留物；3)除气完成后，加热K-Cell装置中的金属源，并维持20～30nA的金属原子束流；4)将除气好的SiC样品在金属束流源下升温至1100～1150℃，并在金属束流的辅助下加热退火，以除去其表面氧化物，得到以金属原子为终端面的样品表面；5)得到以金属原子为终端表面的SiC样品后，在Ar气氛下将SiC样品升温至1450℃，关闭加热原，间隔2min之后再进行同样的加热，循环3～5次，获得金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯。本专利技术进一步的改进在于：步骤1)中，单晶SiC基片单面抛光长条形的样品，大小为15mm×3mm，厚度为330±25μm。步骤2)中，在真空制备腔室内加热时所用直流电源大小为0.48～0.53A，加热除气的时间为8h。步骤3)中，金属源的纯度均为99.999％，且金属源采用金属In源、金属Ag源、金属Bi源或金属Bi源。步骤3)中，金属源的加热电流为2.5～3.0A，加热温度为680～730℃，加热时间10min。步骤4)中，SiC基底的加热电流为1.1～1.3A，加热退火的时间为10min。步骤5)中，样品制备腔室中Ar气氛的气压为5×10-5Torr。步骤5)中，在Ar气氛通过1.8～2.0A的直流电源加热样品的时间为5min。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术是在外延石墨烯生长过程中同步实现的，对石墨烯本身的破坏较小，稳定性强且掺杂类型可控。由此获得的掺杂外延石墨烯可望直接应用于微电子器件的制作和应用。本专利技术简化了外延石墨烯的生长及掺杂工艺，无需关心SiC表面重构的影响；金属原子束流的预处理是实现掺杂的重要前提，Ar气氛环境抑制了表面孔洞的生成，保证了所制备的外延石墨烯规则均匀的表面形貌；通过循环加热的退火方式可在SiC基底表面同步实现规则外延石墨烯的大面积制备及金属原子的掺杂；金属掺杂稳定，对石墨烯整体结构并无破坏，并且可通过改变金属原子的种类来调控掺杂的类型；本专利技术思路清晰、简单有效、易于操作，适合于大面积金属掺杂外延石墨烯的制备。附图说明图1外延石墨烯生长过程中的金属原子同步掺杂示意图。图2金属In掺杂：(a)In原子掺杂外延石墨烯的大面积形貌像；(b)掺杂与非掺杂外延石墨烯的拉曼光谱对比；(c)、(d)同一掺杂区域正负偏压形貌像的对比。图3金属Ag掺杂：(a)、(b)Ag掺杂外延石墨烯的形貌像；(c)Ag原子掺杂外延石墨烯的原子分辨像。图4金属Bi掺杂：(a)Bi原子掺杂外延石墨烯的形貌像；(c)是掺杂区域不同偏压下的原子分辨像。图5金属Bi掺杂：(a)Bi原子掺杂外延石墨烯的形貌像；(b)掺杂区域的原子分辨像；(c)为(b)中不同区域的扫描隧道显微谱。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：1)选用15mm×3mm×330μm规格的A级单晶6H-SiC(0001)基片作为外延石墨烯的生长基材；2)将SiC样品在真空制备腔室内加热至530～570℃除气，所用直流电源大小为0.48～0.53A，经过8h的加热除气后清除吸附在SiC表面的水汽和残留物；3)除气完成后，加热K-Cell装置中的金属源，并维持20–30nA的金属原子束流，金属源的加热电流为2.5～3.0A，加热温度为680～730℃，加热时间10min；4)将除气好的SiC样品在金属束流源下升温至1100～1150℃，并在金属束流的辅助下加热退火10min，以除去其表面氧化物，得到以金属原子为终端面的样品表面；5)得到以金属原子为终端表面的SiC样品后，将Ar气氛充入样品制备腔室并将气压维持在5×10-5Torr，通过1.8～2.0A的直流电源将样品升温至1450℃并加热5min，间隔2min之后再进行同样的加热，循环3–5次即可获得金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯；实施例1将单晶6H-SiC(0001)样品在0.5A的直流条件下加热至540℃左右除气8h；利用K-Cell装置，加热金属In源至700℃，加热电流为2.8A，并将In原子束流大小控制在26nA；同时，用1.1A的电流将SiC样品升本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用单晶SiC基片作为外延石墨烯的生长基材；2)将单晶SiC样品在真空制备腔室内加热至530～570℃除气，清除吸附在单晶SiC表面的水汽和残留物；3)除气完成后，加热K‑Cell装置中的金属源，并维持20～30nA的金属原子束流；4)将除气好的SiC样品在金属束流源下升温至1100～1150℃，并在金属束流的辅助下加热退火，以除去其表面氧化物，得到以金属原子为终端面的样品表面；5)得到以金属原子为终端表面的SiC样品后，在Ar气氛下将SiC样品升温至1450℃，关闭加热原，间隔2min之后再进行同样的加热，循环3～5次，获得金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用单晶SiC基片作为外延石墨烯的生长基材；2)将单晶SiC样品在真空制备腔室内加热至530～570℃除气，清除吸附在单晶SiC表面的水汽和残留物；3)除气完成后，加热K-Cell装置中的金属源，并维持20～30nA的金属原子束流；4)将除气好的SiC样品在金属束流源下升温至1100～1150℃，并在金属束流的辅助下加热退火，以除去其表面氧化物，得到以金属原子为终端面的样品表面；5)得到以金属原子为终端表面的SiC样品后，在Ar气氛下将SiC样品升温至1450℃，关闭加热原，间隔2min之后再进行同样的加热，循环3～5次，获得金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯。2.根据权利要求1所述的金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤1)中，单晶SiC基片单面抛光长条形的样品，大小为15mm×3mm，厚度为330±25μm。3.根据权利要求1所述的金属原子掺杂的大面积规则外延石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤2)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡廷伟，马飞，徐可为，马大衍，刘祥泰，张晓荷，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61