一种石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种通过气相沉积制备的C

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种石墨烯的制备方法，属于石墨烯的制备领域。

技术介绍

[0002]石墨烯作为一种由碳原子组成的二维原子晶体，仅有一个碳原子厚度，呈现六边形蜂窝状结构，每一个碳原子与其相邻的三个碳原子以sp2杂化的方式形成3个σ共价键，剩余的一个未成键电子在与片层相垂直的轨道上形成π键，π电子未受到碳原子核的强烈束缚，可以在晶体里自由地移动。石墨烯独特的物理结构，赋予其优异的导电、导热、高比表面积、高强度等性能，目前主要集中在六个应用领域：储能领域、光电器件领域、发热期间领域、生物医药领域、散热领域、复合材料领域。由于具备超高电子传输能力和良好的导热能力，石墨烯被认为会取代现在广泛使用的硅而成为下一代集成电路的根基。
[0003]2004年，Geim和Williams等人利用胶带反复粘贴石墨，获得了少层的石墨烯，这是制备石墨烯最简单、最直接的方法。目前，石墨烯常用的制备方法有：氧化还原法、机械剥离法、化学气相沉积法、碳化硅外延生长法、固相碳源热分解法等等，其中化学气相沉积方法被认为是最有可能实现大规模制备石墨烯的方法，这种方法制备的石墨烯的后续应用，需要特定的转移工艺转移，转移步骤繁琐复杂，并且在转移过程中不可避免引入杂质和褶皱等缺陷，降低石墨烯的完整性，会影响石墨烯的应用。石墨烯的在微电子器件和半导体行业的应用，需要控制合成石墨烯的层数和质量，以及对石墨烯进行掺杂可以提高石墨烯的性能，因此，石墨烯的制备技术更为苛刻，为了将石墨烯真正地应用于微电子器件和半导体行业，急需一种与半导体工艺兼容的石墨烯制备方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在解决石墨烯的应用问题而开发出的一种层数可控的免转移石墨烯制备方法。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]A、将预处理后的绝缘体或半导体基底置于磁控溅射的沉积腔室中；
[0007]B、通过磁控溅射方式，在基底上沉积一层C
‑
Ni薄膜；
[0008]C、C
‑
Ni薄膜在高温下退火，C
‑
Ni薄膜经快速升温、温度保持一定时间和快速降温阶段，使得在薄膜表面和与基底界面生长石墨烯；
[0009]D、界面石墨烯：经0.5M FeCl3溶液刻蚀表面镍薄膜和石墨烯，保留基底界面石墨烯，累积石墨烯：控制退火时间和退火温度使表面Ni层在高温下蒸发，表面石墨烯与界面石墨烯累积结合。
[0010]本专利技术的效果：通过本专利技术可以实现在绝缘体或半导体基底上直接制备层数可控的石墨烯，省略了繁杂的转移工艺转移到半导体基底的过程，减少了石墨烯转移过程中对石墨烯引入褶皱、杂质等缺陷，有助于石墨烯在微电子行业的应用。
[0011]本专利技术的优点总结：
[0012]a)可以实现在绝缘体或半导体基底上直接制备石墨烯，可以直接应用于相关领域，避免了应用时的转移步骤；
[0013]b)通过控制C
‑
Ni薄膜制备和退火过程的工艺参数，可以实现石墨烯层数的控制；
[0014]c)石墨烯制备过程简单：C
‑
Ni薄膜可以通过气相沉积制备一层掺杂C的Ni膜即可，无需复杂的多层结构；退火过程简单，可实现快速升降温的设备即可；后续处理过程简单，经FeCl3溶液刻蚀并用去离子水冲洗后即可；
[0015]d)制备方法安全可靠，无污染，效率高，成本低；
[0016]1.步骤A中，所述基底选自硅片、氧化硅片、玻璃片等绝缘体和半导体基底，基底尺寸范围为1
×
1cm2到2
×
2cm2。
[0017]2.步骤B中，所述的C
‑
Ni薄膜的制备，高纯度镍作靶材，反应性气体选自甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、丙烷(C3H8)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)、丙炔(C3H4)等含碳烃类气体中的一种。
[0018]3步骤B中，所述的C
‑
Ni薄膜的制备，可采用镍靶和石墨靶作双靶材、C和Ni的复合靶材、含C反应性气体中的一种或多种。
[0019]4.步骤B中，所述磁控溅射技术是直流磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、射频磁控溅射和中频磁控溅射中的一种。
[0020]5.步骤B中，所述C
‑
Ni薄膜溅射制备，可以通入H2S、PH3、N2、NH3等气体，在C
‑
Ni薄膜中引入S、P、N等元素。
[0021]6.在C
‑
Ni薄膜中引入的S、P、N等元素，薄膜退火后可以制备掺杂石墨烯。
[0022]7.步骤C中，所述高温退火技术为红外快速退火技术，但不限于红外快速退火技术，可实现低气压下快速升温和降温的退火技术均可。
[0023]8.步骤B中，所述的C
‑
Ni薄膜的厚度范围为50nm
‑
110nm，厚膜的含碳量范围为8％
‑
20％。
[0024]9.步骤C中，所述退火步骤退火温度在800
‑
1000℃，升温速率为10℃/s
‑
15℃/s，降温速率为30
‑
40℃/min，退火时间为8
‑
12min，在薄膜表面和界面生成石墨烯。
[0025]10.所述薄膜与基底界面石墨烯，采用浓度为0.5M到1.0M之间的FeCl3溶液刻蚀10min，去除表面镍层和表面石墨烯，得到基底上的石墨烯。
[0026]11.步骤D中，所述累积石墨烯，延长退火时间至20
‑
30min和升高温度(900℃
‑
1100℃)蒸发表面镍层，表面石墨烯落到界面石墨烯上，累积形成累积石墨烯；
[0027]12.步骤D中，所述FeCl3是可以刻蚀表面镍层的酸性溶液中的一种。
[0028]13.本专利技术在绝缘体或半导体基底上直接制备石墨烯或掺杂石墨烯，可以避免其转移过程，可以避免对石墨烯引入杂质或褶皱等缺陷。
[0029]14.样品的拉曼光谱在1350cm
‑1、1575cm
‑1以及2700cm
‑1形成了特征峰位，分别为D、G和2D峰，表明了石墨烯的有效形成。石墨烯的质量可以用Raman的D、G和2D三个峰比值来表示，用I
2D
/I
G
的比值区分石墨烯层数，I
2D
/I
G
>1.4是单层石墨烯，0.75≤I
2D
/I
G
≤1.4是双层石墨烯，I
2D
/I
G
<0.75与少层石墨(3层或更多层)有关，用I
D
/I
G
的比值表示石墨烯缺陷，I
D
/I
G
数值越小缺陷越低。
[0030]本专利技术的效果：通过本专利技术可以实现在绝缘体或半导体基底上直接制备层数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、在基底上沉积一层C
‑
Ni薄膜；所述的C
‑
Ni薄膜的厚度范围为50nm
‑
110nm，厚膜的含碳量范围为6％
‑
20％(优选8％
‑
12％)；2)于基底上表面上获得石墨烯的方式为下述二种中的任意一种：第1种、C
‑
Ni薄膜在高温下退火，在退火炉中以10℃/s
‑
15℃/s从室温升温至700
‑
1000℃(优选800
‑
1000℃，更优选850
‑
950℃)下退火8
‑
12min(优选10min)，然后以30℃/min
‑
40℃/min速率降温到室温，使得在薄膜表面和薄膜与基底界面间生长石墨烯；获得界面石墨烯：将高温下退火后的C
‑
Ni薄膜经0.5M
‑
1.0M FeCl3溶液刻蚀10
‑
15min去除表面镍薄膜和表面石墨烯，保留薄膜与基底界面间生长的石墨烯，得到基底上的石墨烯；或，第2种、获得累积石墨烯：C
‑
Ni薄膜在高温下退火，在退火炉中以10℃/s
‑
15℃/s从室温升温至900
‑
1000℃(优选900
‑
950℃)下退火20
‑
30min(优选25
‑
30min)，然后以30℃/min
‑
40℃/min速率降温到室温，从而获得累积石墨烯。2.根据权利要求1所述石墨烯的制备方法，其特征在于，在基底上沉积一层C
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠伟，陈森，桑利军，
申请(专利权)人：北京印刷学院，
类型：发明
国别省市：