本发明专利技术涉及一种石墨烯/氮化硼异质薄膜的制备方法，更具体地，涉及一种具有高电子迁移率的石墨烯/氮化硼异质薄膜的制备方法，属于电子薄膜材料领域。本发明专利技术所公开的制备方法包括：在氮化硼薄膜表面形成催化金属层；然后将固态、液态或气态碳源与催化金属接触，高温处理下碳原子均匀渗透至催化金属层中；降温后部分碳原子从催化金属层中析出，并在催化金属层与氮化硼界面形成石墨烯；最后用刻蚀液将催化金属层完全刻蚀，得到石墨烯/氮化硼异质薄膜。本发明专利技术的方法可以制备出大面积的石墨烯/氮化硼异质薄膜，并且异质薄膜表面平整、褶皱少，具有很高的迁移率，可直接用于制备高频电子器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，更具体地，涉及一种具有高电子迁移率的石墨烯/氮化硼异质薄膜的制备方法，属于电子薄膜材料领域。
技术介绍
石墨烯是碳原子按六角结构排列而成的单原子层二维晶体，电子有效质量极小、 迁移率极高，这种优异的电学性质使其在高频电子器件中有着巨大的应用价值。悬空的单层石墨烯迁移率可达到 2X IO5 cm2/(V · S) (J. App 1. Phys. 2011, 109, 093702.)，然而悬空石墨烯制作工艺复杂、难以大规模地应用在电子器件中。目前最常见的做法是将石墨烯转移转至Si02/Si衬底(Nat. Phys. 2007, 4，144.)，但是衬底中含有的带电杂质易引起石墨烯电荷密度的波动，导致电子迁移率急剧降低，迁移率最高为1.5X104 cm2/(V-S)0 将石墨烯转移至六方氮化硼衬底上(Nat. Nanotechnol. 2010, 5，722.)，由于氮化硼表面平整、没有悬挂键、几乎不含带电杂质，可以有效降低对石墨烯的电子散射，石墨烯的迁移率达到1. 4X IO5 cm2/(V · S)。然而转移石墨烯过程中，会不可避免地对石墨烯造成机械损伤，降低薄膜表面平整度。而且，该机械转移法用于大规模生产时，薄膜的质量和一致性难以得到保证，无法与目前电子器件的制造工艺相兼容。US2011004528201A1公开了一种在氮化硼上异质外延生长石墨烯的方法。该方法中，先用原子层沉积法在金属衬底上生长出氮化硼薄膜，然后用气态碳源通过化学气相沉积法在氮化硼膜上直接生长石墨烯，形成石墨烯/氮化硼异质薄膜。在该方法中，在氮化硼薄膜上直接沉积石墨烯时，一方面，因为没有催化金属层对气态碳源进行催化分解，所以需要更高的温度才能将气态碳源直接热分解得到碳原子；另一方面，自由的碳原子在氮化硼衬底上易于聚集，形成无定形碳颗粒，较难在面内扩散形成均相的石墨烯层，从而无法制备出大面积的石墨烯/氮化硼异质薄膜。
技术实现思路
为了克服现有技术的困难，本专利技术提供了如下的技术方案 ，其特征在于，包括在氮化硼薄膜表面形成催化金属层；所述催化金属层与碳源接触，高温处理下碳原子渗透至催化金属层中；降温后，在所述催化金属层与氮化硼的界面形成石墨烯；完全刻蚀所述催化金属层，得到石墨烯/氮化硼异质薄膜。所述的氮化硼为六方结构的氮化硼 (h-BN)，置于带有二氧化硅绝缘层的硅衬底上。所述的催化金属为镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、钼(Pt)、金(Au)、铝(Al)、铬(Cr)、铜 (Cu)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)和钨(W)中的一种或任意两种以上的组合。所述的碳源是固态、液态或气态含碳单质或化合物中的一种。所述的固态碳源为碳粉；所述的液态碳源指在催化金属的存在下可以热分解的含碳有机溶剂，为醇类有机溶剂、醚类有机溶剂、酮类有机溶剂、酯类有机溶剂和有机酸有机溶剂中的一种或任意两种以上的组合；所述的气态碳源是指每个气体分子中含有广7个碳原子的气体。所述的高温处理是指将渗碳后的氮化硼/催化金属体系放入气氛加热炉，在保护气氛下加热10秒至1小时，加热温度为300°C 2000°C。碳原子在催化金属上表面形成石墨烯A，在催化金属下表面与氮化硼薄膜之间形成石墨烯B，如图1所示。所述的高温处理加热方式是感应加热、辐射加热、激光加热、红外线加热、微波加热、等离子体加热和紫外线加热中的一种。所述的保护气氛为氮气(N2)、氩气(Ar)、氦气(He)和氖气(Ne)中的一种或任意两种以上的组合。所述的降温速率为3 V /分钟 300 V /分钟。所述刻蚀溶液是氯化铁(FeCl3)、硝酸铁(Fe(NO3)3)、过硫酸铵((NH4)2S2O8)、氢氟酸(HF)、盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)中的一种或任意两种以上的组合。所述石墨烯/氮化硼异质薄膜的迁移率大于1. OX IO4 cm2/(V · S)。本专利技术的优点是借助催化金属层，利用渗碳法在氮化硼薄膜与催化金属层的界面直接生长石墨烯，所得的石墨烯/氮化硼异质薄膜面积大。避免了通过转移石墨烯层制备异质薄膜时对石墨烯造成的机械损伤，薄膜表面平整、褶皱少。用本方法所制备的墨烯/氮化硼异质薄膜具有很高的迁移率，可以直接用于制备高频电子器件。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并不构成对本专利技术的限制。在附图中图1是本专利技术所公开的石墨烯/氮化硼异质薄膜制备工艺流程示意其中1是带有二氧化硅绝缘层的硅衬底；2是氮化硼薄膜；3是催化金属层；4是碳粉； 5是渗碳后的催化金属层；6是石墨烯A ；7是石墨烯B。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1 一种制备石墨烯/氮化硼异质薄膜的方法，包括以下步骤1.通过原子沉积法在直径4英寸的硅衬底(带有二氧化硅绝缘层)上形成氮化硼薄膜， 在氮化硼薄膜上溅射一层催化金属镍(Ni)；2.将碳粉喷涂至催化金属M的表面，将上述体系放入气氛加热炉中，向炉内通入氩气，通过辐射加热的方式升温至1050 °C并保持30分钟，使碳原子均勻渗透至金属催化层中；3.停止加热，以20°C/分钟的速率降温，碳原子从催化金属Ni中析出，在催化金属 Ni上表面形成石墨烯A，在催化金属Ni下表面与氮化硼薄膜之间形成石墨烯B ；4.将上述体系放入硝酸铁溶液中，将催化金属Ni刻蚀干净，同时石墨烯A被剥离，石墨烯B与氮化硼薄膜在硅衬底上形成石墨烯/氮化硼异质薄膜；5.将衬底从硝酸铁溶液中取出，用去离子水和乙醇清洗石墨烯/氮化硼异质薄膜表面，80 °C烘干。所得到的石墨烯/氮化硼异质薄膜的迁移率为5. 2X IO4 cm2/(V · S)。实施例2:一种制备石墨烯/氮化硼异质薄膜的方法，包括以下步骤1.通过原子沉积法在直径4英寸的硅衬底(带有二氧化硅绝缘层)上形成氮化硼薄膜， 在氮化硼薄膜上溅射一层催化金属铜(Cu)；2.将上述带有氮化硼和催化金属Cu的硅衬底放入100mL丙三醇中，加热至270 °C， 反应20小时。冷却至室温，用去离子水或乙醇将催化金属Cu表面残留的溶剂清洗干净，60 °C烘干；3.将上述渗碳后的氮化硼/催化金属Cu体系放入气氛加热管中，向炉内通入氦气，通过红外加热的方式升温至1000 °C保持1分钟，使碳原子均勻渗透至金属催化Cu中；停止加热，以200 V /分钟的速率冷却至室温；碳原子从催化金属Cu中析出，在催化金属Cu上表面形成石墨烯A，在催化金属Cu下表面与氮化硼薄膜之间的界面形成石墨烯B ；4.将上述体系放入过硫酸铵溶液中，完全刻蚀催化金属Cu，石墨烯A被剥离，石墨烯B 与氮化硼薄膜在硅衬底上形成石墨烯/氮化硼异质薄膜；5.将衬底从过硫酸铵溶液中取出，用去离子水和乙醇清洗石墨烯/氮化硼异质薄膜表面，80 °C烘干。所得到的石墨烯/氮化硼异质薄膜的迁移率为4. 6X IO4 cm2/(V · S)。实施例3:一种制备石墨烯/氮化硼异质薄膜的方法，包括以下步骤1.用原子沉积法在直径4英寸的硅衬底(带有二氧化硅绝缘层)上形成氮化硼薄膜，在氮化硼薄膜上溅射一层镍铜合金(Ni 2%, Cu 98%)；2.将上述带本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄孟琼，王振中，
申请(专利权)人：无锡第六元素高科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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