一种硼掺杂半导体石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硼掺杂半导体石墨烯的制备方法，本发明专利技术中硼纤维加热后碳源气体硼纤维表面沉积生成碳/石墨，在进一步的高温加热处理过程中硼纤维中的硼元素在浓度梯度的驱动下扩散至热解碳/石墨，且硼的原子直径和碳原子直径相差较小，硼原子将碳原子替代，可以实现硼原子的替代性掺杂，得到硼元素原位替代掺杂石墨，进一步处理后得到硼掺杂半导体石墨烯。

A Method of Preparing Boron Doped Semiconductor Graphene

The invention discloses a preparation method of boron-doped semiconductor graphene, in which carbon/graphite is deposited on the surface of boron fiber as carbon source gas after heating, and boron element in boron fiber diffuses to pyrolytic carbon/graphite driven by concentration gradient during further high-temperature heating treatment, and the difference between the atomic diameter of boron and the atomic diameter of carbon is small, and the boron atom will make carbon atom. Instead, boron atoms can be substituted for doped graphite in situ, and boron-doped semiconductor graphene can be obtained after further treatment.

【技术实现步骤摘要】
一种硼掺杂半导体石墨烯的制备方法
本专利技术属于石墨烯
，具体涉及一种硼掺杂半导体石墨烯的制备方法。
技术介绍
A.K.Geim等人于2004年利用微机械剥离法获得了单层的石墨烯片层，并对其电学性能进行表征。石墨烯作为一种蜂窝状的二维材料，自发现之日起便引起了科研工作者的广泛关注。这种只由碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体具有很多优良的性质，比如：高的载流子迁移率、高饱和漂移速度、亚微米级弹道输运、优良的机械性能和极高的热导率，以及高度透明性等。随着硅集成电路线宽已经达到7-10nm，在进一步缩窄线宽的同时会量子隧穿效应限制，导致摩尔定律失效，无法制备出高性能的集成电路。而石墨烯的高载流子迁移率、极高的热导率、热与化学稳定性特性等使得其有望取代硅成为下一代集成电路材料。石墨烯在集成电路作为基础材料应用过程中，石墨烯的能带结构显得尤为重要。石墨烯的导带与价带直接接触，其带隙为零，很难实现电压对电流的有效控制，限制了石墨烯在逻辑电路等电子器件上的应用。因而，石墨烯获得一定的带隙成为石墨烯在电子领域中应用的不可或缺的需求。石墨烯蜂窝状结构的对称性很高，导致其带隙为零，因此破坏石墨烯的对称性可以得到具有带隙的石墨烯。以前的研究主要采用周期性打孔、石墨烯纳米化、双层石墨烯电场调控等手段可以获得石墨烯带隙，获得硼掺杂石墨。以上几种调控手段较为复杂，且可控性较差，无法大量获得具有带隙的、稳定的石墨烯。而采用石墨烯掺杂杂原子是一种比较有效的手段，具有容易规模化，具有高度的热与化学稳定性等优势，且较易实现对石墨烯对称性的破坏，进而得到具有带隙的石墨烯。硼原子的原子直径与碳原子差别较小，且其最外层电子比碳原子少一个，硼原子在石墨烯晶格中构成缺电子中心，即空穴，在硼原子取代石墨烯晶格中的碳原子以后就能够实现石墨烯能带结构的调节，进一步制备成硼掺杂半导体石墨烯电子器件，能够充分发挥石墨烯的载流子迁移率高等优异特性。前人采用金属与低碳卤代烃、硼源，在反应釜中进行石墨烯的制备，合成出硼掺杂半导体石墨烯(ZL201010570879.5)。北京物理所的研究人员采用掺硼碳化硅分解进行硼掺杂半导体石墨烯的制备，(CN201310556311.1)。上面提到的制备工艺较为苛刻，价格较高，且规模化生产较难，生产的工艺稳定性难以控制，因而开发一种简单的硼掺杂半导体石墨烯制备工艺，对石墨烯在电子工业中的发展与应用来说是极为重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种硼掺杂半导体石墨烯的制备方法。本专利技术中硼纤维加热后碳源气体硼纤维表面沉积生成碳/石墨，在进一步的高温加热处理过程中硼纤维中的硼元素在浓度梯度的驱动下扩散至热解碳/石墨，且硼的原子直径和碳原子直径相差较小，硼原子将碳原子替代，可以实现硼原子的替代性掺杂，得到硼元素原位替代掺杂石墨，进一步处理后得到硼掺杂半导体石墨烯。本专利技术的技术方案具体如下：一种硼掺杂半导体石墨烯的制备方法，包括如下步骤：(1)惰性气体保护下，将硼纤维通电加热至1800～2050℃，然后通入碳源气体并恒温5-180min，以在硼纤维表面沉积得到高度石墨化的石墨涂层；上述硼纤维为钨芯硼纤维、碳芯硼纤维或纯硼纤维，上述碳源气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、丙炔、乙烯、丙烯、石油气和天然气中的至少一种；(2)惰性气体保护下，将步骤(1)所得的物料通电加热至2040～2060℃恒温5-100min，再通电加热至2400～3200℃并恒温1～300min，得到硼掺杂石墨；在上述步骤(1)和(2)的通电加热的过程中，硼纤维一直以一定的速率进行提升并卷绕，下进上出，实现连续制备；(3)将步骤(2)所得的硼掺杂石墨在有机溶剂中进行超声处理、微机械剥离或氧化还原，得到所述硼掺杂半导体石墨烯。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤(1)为：惰性气体保护下，将硼纤维通电加热至1900～2000℃，然后通入碳源气体并恒温10～60min，以在硼纤维表面沉积得到高度石墨化的石墨涂层。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤(2)为：惰性气体保护下，将步骤(1)所得的物料通电加热至2050℃恒温10～30min，再通电加热至2600～3000℃并恒温5～60min，得到硼掺杂石墨。在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤(3)中的有机溶剂包括乙醇、DMF、DMSO和N-甲基吡咯烷酮。进一步优选的，所述碳源气体包括甲烷、乙烷和丙烷中的至少一种。进一步优选的，所述硼纤维为钨芯硼纤维或碳芯硼纤维。进一步优选的，所述惰性气体为氩气。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用硼纤维为基体与硼源在高温下进行沉积于扩散掺杂得到硼掺杂石墨，进一步处理后得到硼掺杂半导体石墨烯。2、本专利技术的制备设备简单，工艺简单可控，且能够连续制备，具有成本低廉，易于规模化等特点，是一种优异的石墨烯材料，可广泛应用电子器件，集成电路及航空航天等领域。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术的技术方案进行进一步的说明和描述。实施例1将一根钨芯硼纤维在惰性气体(氩气)保护的汞封石英管内通电产生热量，同时通入惰性气体保护，温度达到2000℃后通入甲烷并恒温20min，甲烷的流量为500sccm，甲烷在硼纤维表面沉积得到高度石墨化的石墨涂层。冷却后的石墨/硼纤维在另一个惰性气体(氩气)保护的汞封石英管内进行通电加热，先升温至2050℃，恒温20min，冷却后进入新的石英管内进行通电加热升高温度达到3000℃，恒温20min，获得硼掺杂石墨。以上三个通电加热过程中，石英管内的硼纤维一直以一定的速率进行提升并卷绕，下进上出，实现连续制备。将处理后的纤维得到的硼掺杂石墨进行超声处理(有机溶剂中，包括乙醇、DMF、DMSO、N-甲基吡咯烷酮)、微机械剥离或氧化还原等手段得到硼掺杂半导体石墨烯，将所得硼掺杂半导体石墨烯附着在带有氧化硅的硅晶圆表面作为沟道制备成硼掺杂半导体石墨烯场效应管，然后进行电学表征。利用半导体参数测试仪进行石墨烯场效应管的测试，该方法得到的硼掺杂半导体石墨烯材料为P型半导体石墨烯。得到的硼掺杂半导体石墨烯的拉曼光谱具有较高的D峰，且在1620cm-1附近出现一个D’峰，通过XPS分析得到硼含量为0.97％。该石墨烯场效应晶体管的载流子迁移率11660-12540cm2/V·s之间。实施例2将一根钨芯硼纤维在惰性气体(氩气)保护的汞封石英管内通电产生热量，同时通入惰性气体保护，温度达到2000℃后通入甲烷并恒温180min，甲烷的流量为100sccm，甲烷在硼纤维表面沉积得到高度石墨化的石墨涂层。冷却后的石墨/硼纤维在另一个惰性气体(氩气)保护的汞封石英管内进行通电加热，先升温至2050℃，恒温一定时间10min，冷却后进入新的石英管内进行通电加热升高温度达到3000℃，恒温20min，获得硼掺杂石墨。以上三个通电加热过程中，石英管内的硼纤维一直以一定的速率进行提升并卷绕，下进上出，实现连续制备。将处理后的纤维得到的硼掺杂石墨进行超声处理(有机溶剂中，包括乙醇、DMF、DMSO、N-甲基吡咯烷酮)、微机械剥离或氧化还原等手段得到硼掺杂半导体石墨烯，将所得硼掺杂半导体石墨烯附着在带有氧化硅的硅晶圆表面作为沟道制备成硼掺杂半导体石墨烯场效应管，然后进行电学表征本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硼掺杂半导体石墨烯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)惰性气体保护下，将硼纤维通电加热至1800～2050℃，然后通入碳源气体并恒温5‑180min，以在硼纤维表面沉积得到高度石墨化的石墨涂层；上述硼纤维为钨芯硼纤维、碳芯硼纤维或纯硼纤维，上述碳源气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、丙炔、乙烯、丙烯、石油气和天然气中的至少一种；(2)惰性气体保护下，将步骤(1)所得的物料通电加热至2040～2060℃恒温5‑100min，再通电加热至2400～3200℃并恒温1～300min，得到硼掺杂石墨；在上述步骤(1)和(2)的通电加热的过程中，硼纤维一直以一定的速率进行提升并卷绕，下进上出，实现连续制备；(3)将步骤(2)所得的硼掺杂石墨在有机溶剂中进行超声处理、微机械剥离或氧化还原，得到所述硼掺杂半导体石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种硼掺杂半导体石墨烯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)惰性气体保护下，将硼纤维通电加热至1800～2050℃，然后通入碳源气体并恒温5-180min，以在硼纤维表面沉积得到高度石墨化的石墨涂层；上述硼纤维为钨芯硼纤维、碳芯硼纤维或纯硼纤维，上述碳源气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、丙炔、乙烯、丙烯、石油气和天然气中的至少一种；(2)惰性气体保护下，将步骤(1)所得的物料通电加热至2040～2060℃恒温5-100min，再通电加热至2400～3200℃并恒温1～300min，得到硼掺杂石墨；在上述步骤(1)和(2)的通电加热的过程中，硼纤维一直以一定的速率进行提升并卷绕，下进上出，实现连续制备；(3)将步骤(2)所得的硼掺杂石墨在有机溶剂中进行超声处理、微机械剥离或氧化还原，得到所述硼掺杂半导体石墨烯。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李四中，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35