以非极性晶面SiC为衬底的单层石墨烯及可控生长方法技术

一种以非极性晶面SiC为衬底的单层石墨烯及可控生长方法，所述可控生长方法是在非极性晶面SiC衬底的任意角度的非极性晶面上外延生长单层石墨烯，由此利用所述非极性晶面对石墨烯的电输运性质进行调控；通过所述可控生长方法能够在所述非极性晶面SiC衬底的其中一非极性晶面上得到弹道输运性质的单层石墨烯。

【技术实现步骤摘要】
以非极性晶面SiC为衬底的单层石墨烯及可控生长方法
本专利技术涉及半导体材料
，尤其涉及一种以非极性晶面SiC为衬底的单层石墨烯及可控生长方法。
技术介绍
随着现代微电子技术的快速发展，传统硅基半导体电子器件已经无法满足人们的需求，寻找一种新的电子学器件基础材料迫在眉睫。石墨烯是由碳原子按照六角蜂窝状排列而成的二维材料，由于其在力学、电子学、光学等方面表现出的各种优异性能，被大家认为是极具应用前景的纳米电子器件材料。与机械剥离法和化学沉积法相比，使用单晶SiC衬底外延生长石墨烯可以有效的避免在电子器件制备过程中引入缺陷，如褶皱、裂缝、杂质污染等不利因素。最重要的是，外延石墨烯生长所采用的衬底是与传统半导体工艺兼容的SiC晶片，就目前的发展趋势而言，这似乎也是唯一可用于制备二维纳米电子器件的基础材料。传统的SiC衬底外延法生长石墨烯主要用于六方晶系SiC衬底的两个晶面，(0001)面(即Si面)以及(000-1)面(即C面)，得到的外延石墨烯性能与机械剥离的石墨烯相比，其电学性能依旧存在较大差异。2014年由美国WaltdeHeer教授研究组发现的在SiC衬底上生长的侧壁石墨烯纳米带具有独特且极其优异的电输运性质。但是该方法同现代平面化电子加工工艺难以契合，主要是由于该结构必须在侧壁上，即首先要对SiC衬底进行纵向纳米级的微纳加工和后续热处理以期获得侧壁石墨烯生长和调控所必须的特定晶面指数的非极性面。而在现代半导体加工没有完全适用于SiC三维纳米机构加工的成熟工艺，同时由于所有的侧壁石墨烯均生长在三维的侧壁上对后续的半导体器件的制造增加了不小的难度。专利
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种单层石墨烯的可控生长方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：作为本专利技术的一个方面，提供了一种单层石墨烯的可控生长方法，其中，在非极性晶面SiC衬底的任意角度的非极性晶面上外延生长单层石墨烯，由此利用所述非极性晶面对石墨烯的电输运性质进行调控。作为本专利技术的另一个方面，提供了一种利用如上所述的可控生长方法制得的单层石墨烯，其中，所述单层石墨烯外延生长于非极性晶面SiC衬底的任意角度的非极性晶面上，所述单层石墨烯的电输运性质由所述非极性晶面进行调控。作为本专利技术的再一个方面，提供了一种非极性晶面SiC衬底的制备方法，包括以下步骤：根据一非极性晶面与(0001)面或(000-1)面的夹角，来调整金刚石线相对于一SiC晶柱的角度，利用金刚石线对所述SiC晶柱进行切割得到SiC晶片；对所述SiC晶片进行研磨、机械抛光和化学机械抛光，得到具有原子级平整度的非极性晶面；在所述非极性晶面被验证无误后，对所述SiC晶片进行切割，得到所述非极性晶面SiC衬底。作为本专利技术的又一个方面，提供了一种非极性晶面SiC衬底，其为利用如上所述的制备方法制得。基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：(1)我们基于侧壁石墨烯特点、生长条件和物理机理的分析，提出在任意非极性晶面上生长石墨烯，利用任意非极性晶面本身的物理性质对于其上生长石墨烯的调控以及利用任意非极性晶面同石墨烯的相互作用大规模调控石墨烯性质的方法。(2)进一步提出对SiC晶体直接进行任意角度切割而实现任意非极性晶面，根据不同晶面SiC的硬度不一样，在切割过程中采用最佳的切割进给速度来实现所需厚度任意晶面SiC的切割。同时在目前对SiC零角度抛光现有技术的基础上，专利技术了对任意晶面SiC实现原子级平整度的抛光技术。(3)本专利技术解决了在侧壁石墨烯纳米带上的加工难题，同时实现了大规模生长平面化的单层石墨烯，尤其是，在一特定角度非极性面上生长出大面积具有弹道输运性质的石墨烯，为弹道输运石墨烯电子器件开创了纪元。附图说明图1为本专利技术实施例1中SiC衬底两相互垂直的参考面与钢板相互垂直之间的相互位置；图2为本专利技术实施例1中SiC(0001)面与金刚石线平行示意图；图3为本专利技术实施例1中切割SiC特定晶面的示意图；图4为本专利技术实施例2中经过研磨后SiC的扫描电镜(SEM)图；图5为本专利技术实施例2中经过机械抛光后SiC的原子力显微镜(AFM)图；图6为本专利技术实施例2中经过化学机械抛光后SiC的AFM图；图7为本专利技术实施例3中生长石墨烯的SEM图；图8为本专利技术实施例3中生长石墨烯的横向力显微镜(LFM)图；图9为本专利技术实施例3中生长石墨烯的拉曼图；图10为本专利技术实施例3中生长石墨烯的低能量电子衍射(LEED)图；图11为本专利技术实施例3中非极性晶面石墨烯的电输运性质测量结果；图12为本专利技术实施例4中生长石墨烯的SEM图；图13为本专利技术实施例4中生长石墨烯的拉曼图；图14为本专利技术实施例5中生长石墨烯的LFM图；图15为本专利技术实施例5中生长石墨烯的拉曼图；图16为本专利技术对比例1中生长石墨烯的SEM图；图17为本专利技术对比例1中生长石墨烯的LFM图；图18为本专利技术对比例1中生长石墨烯的拉曼图；图19为本专利技术对比例1中生长石墨烯的电输运性质测量结果。上述附图中，附图标记含义如下：1：夹具；2：SiC晶柱；21、22：参考面；3：钢板；4：金刚石线。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种以非极性晶面SiC为衬底的单层石墨烯及可控生长方法，在任意非极性晶面SiC衬底上外延生长单层石墨烯，由不同非极性晶面对石墨烯性质，尤其是电输运性质进行调控。此处“非极性晶面SiC衬底”即为上、下表面中至少有一面为非极性晶面的SiC衬底。其主要物理机制是通过SiC特定晶面的物理性质对石墨烯生长的影响以及该特定晶面同石墨烯之间的相互作用的调控，使得特定晶面外延石墨烯具有了同普通(0001)和(000-1)面上非常不同的物理性质。申请人在研究过程中还克服了以下技术难点：目前对任意角度非极性面SiC切割和磨抛还没有完整有效的工艺，对任意角度非极性晶面SiC衬底上大面积生长单层石墨烯也没有普遍适用的方法。具体地，本专利技术提供了一种单层石墨烯的可控生长方法，在非极性晶面的非极性晶面SiC衬底的任意角度的非极性晶面上外延生长单层石墨烯，由此利用非极性晶面对石墨烯的电输运性质进行调控。其中，非极性晶面SiC衬底为六方晶系，优选为4H-SiC衬底或6H-SiC衬底，非极性晶面优选为(1-105)面，与(0001)面成37.1°夹角。其中，非极性晶面SiC衬底通过以下步骤制备：根据一非极性晶面与(0001)面或(000-1)面的夹角，来调整金刚石线相对于一SiC晶柱的角度，利用金刚石线对SiC晶柱进行切割得到SiC晶片；对SiC晶片进行研磨、机械抛光和化学机械抛光，得到具有原子级平整度的非极性晶面；在非极性晶面被验证无误后，对SiC晶片进行切割，得到非极性晶面SiC衬底。其中，金刚石线的线径在0.2～0.8mm，优选为0.6mm，进给速度为1.5mm/min～5mm/min，优选为3mm/min。其中，研磨的条件为：采用含金刚石颗粒的磨盘或砂纸，金刚石颗粒的粒径为3～60μm，抛光压力为20～250N，动力头速度和磨盘转速分别为30～80r/min、100～300r/min；作为优选，研磨的条件为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单层石墨烯的可控生长方法，其特征在于，在非极性晶面SiC衬底的任意角度的非极性晶面上外延生长单层石墨烯，由此利用所述非极性晶面对石墨烯的电输运性质进行调控。

【技术特征摘要】
1.一种单层石墨烯的可控生长方法，其特征在于，在非极性晶面SiC衬底的任意角度的非极性晶面上外延生长单层石墨烯，由此利用所述非极性晶面对石墨烯的电输运性质进行调控。2.根据权利要求1所述的可控生长方法，其特征在于，所述非极性晶面SiC衬底为六方晶系，优选为4H-SiC衬底或6H-SiC衬底，所述非极性晶面为(1-105)面，与(0001)面成37.1°夹角。3.根据权利要求1所述的可控生长方法，其特征在于，所述非极性晶面SiC衬底通过以下步骤制备：根据一非极性晶面与(0001)面或(000-1)面的夹角，来调整金刚石线相对于一SiC晶柱的角度，利用金刚石线对所述SiC晶柱进行切割得到SiC晶片；对所述SiC晶片进行研磨、机械抛光和化学机械抛光，得到具有原子级平整度的非极性晶面；对所述SiC晶片进行切割，得到所述非极性晶面SiC衬底。4.根据权利要求3所述的可控生长方法，其特征在于，所述金刚石线的线径在0.2～0.8mm，优选为0.6mm，进给速度为1.5mm/min～5mm/min，优选为3mm/min；所述研磨的条件为：采用含金刚石颗粒的磨盘或砂纸，金刚石颗粒的粒径为3～60μm，抛光压力为20～250N，动力头速度和磨盘转速分别为30～80r/min、100～300r/min；作为优选，所述研磨的条件为：依次以金刚石颗粒粒径为60μm和30μm的磨盘进行研磨，并且在研磨时抛光压力从100～200N逐渐增加，动力头速度和磨盘转速分别为60r/min和280r/min；所述机械抛光的条件为：采用金刚石悬浮液，金刚石颗粒粒径为0.05～9μm，抛光压力为20～80N，抛光盘为合成丝绸布，动力头速度为30～100r/min，磨盘转速为60～320r/min；作为优选，所述机械抛光的条件为：依次以金刚石颗粒粒径为3μm和1μm的金刚石悬浮液进行抛光，抛光压力依次分别为80N和60N，动力头速度和磨盘转速分别为80r/min和为310r/min；所述化学机械抛光的条件为：使用碱性的二氧化硅抛光液，pH优选为9～12，更优选为11，抛光压力为20～80N，优选为60N，抛光液滴加速度为5～50ml/min，优选为40mL/min，抛光垫为绒毛类结构，动力头速度为30～100r/min，优选为60r/min，磨盘转速为60～320r/min，优选为120r/min；所述SiC晶片被切割成长度为3～8mm、宽度为4～10mm的小晶片，作为非极性晶面SiC衬底。5.根据权利要求1所述的可控生长方法，其特征在于，所述石墨烯通过SiC热解法进行生长，具体包括以下步骤：对所述非极性晶面SiC衬底进行预处理；将经预处理后的所述非极性晶面SiC衬底在真空环境中，500～900℃下加热20～60min，优选为500℃下加热60min；将所述非极性晶面SiC衬底在惰性气氛下升温至1100～1350℃，优选为1100℃，加热20～100min，优选为80min，然后升温至1500～1600℃，优选为1500℃，加热20～150min，优选为120min；...

【专利技术属性】
技术研发人员：马雷，沃尔特·亚历山大·德斯海尔，纪佩璇，张凯敏，赵健，赵梅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12