基于控制离子注入的能量来制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供一种基于控制离子注入的能量来制备石墨烯的方法。根据本发明专利技术的方法，首先，基于至少一种注入能量向催化衬底注入碳离子；随后，对已注入碳离子的催化衬底进行退火处理以使注入的碳离子析出，并在所述催化衬底表面形成至少一层石墨烯薄膜层；最后，去除所述已形成至少一层石墨烯薄膜层的结构的催化衬底以获得至少一层石墨烯薄膜层。本法所制备出的石墨烯薄膜质量好、尺寸大、且层数可控；相比于SiC升华法，本法制备的石墨烯易于转移；相比与化学气相沉积法，本法制备的石墨烯层数可控。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯领域，特别是涉及一种。
技术介绍
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家使用微机械剥离的方法发现了石墨烯，并于2010年获得了诺贝尔物理学奖。由于石墨烯中载流子迁移率高达^lO5Cmhr1，其迁移率远远高于半导体行业中大规模应用的硅材料，因此被认为是未来纳米电子器件中硅的替代者。此外，石墨烯在光、电领域的应用也非常广泛，例如，基于石墨烯的锂离子电池、太阳能电池、气体探测器和一些器件等。不过，石墨烯在光、电领域的应用都是基于大面积、层数可控的石墨烯薄膜的基础上的。目前制备石墨烯的方法主要有微机械剥离、SiC升华法、化学气相淀积和氧化石墨还原法。其中，微机械剥离法可以制备高质量的石墨烯，但是此方法制备的石墨烯面积小于ImmX Imm,只能用于基础实验研究；SiC升华法制备的石墨烯受衬底的影响很大,层数不均一，无法进行衬底转移；化学气相淀积法虽然可以制备大面积的石墨烯薄膜，并且易于衬底转移，但是此方法获得的石墨烯薄膜厚度的可控性较差，镍金属上会长出厚度不均匀的多层膜，而铜上只能生长出单层薄膜和少量的双层薄膜。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种，以获得质量好、大尺寸且层数可控的石墨烯薄膜。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种，其至少包括步骤:I)基于至少一种注入能量向催化衬底注入碳离子；2)对已注入碳离子的催化衬底进行退火处理以使注入的碳离子析出，并在所述催化衬底表面形成至少一层石墨烯薄膜层；以及3)去除所述已形成至少一层石墨烯薄膜层的结构的催化衬底以获得至少一层石墨烯薄膜层。优选地，所述步骤I)还包括:以注入能量递减的方式多次向催化衬底注入碳离子。如上所述，本专利技术的，具有以下有益效果:所制备出的石墨烯薄膜质量好、尺寸大、且层数可控；相比于SiC升华法，本法制备的石墨烯易于转移；相比与化学气相沉积法，本法制备的石墨烯层数可控。附图说明 图1-图4显示为本专利技术的的实施例一的流程图。图5-图8显示为本专利技术的的实施例二的流程图。元件标号说明10、20催化衬底11、21、22 掺杂层12、23、24 石墨烯薄膜层具体实施例方式以下由特定的具 体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。请参阅图1至图8。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本专利技术可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更
技术实现思路
下，当亦视为本专利技术可实施的范畴。实施例一:如图所示，本实施例的包括以下步骤:第一步:基于至少一种注入能量向催化衬底注入碳离子。其中，所述催化衬底包括任何一种对碳溶解度低的材料，优选地，包括但不限于:铜、镍等等。例如，如图1所示，基于注入能量EO向铜衬底10注入碳原子，由此，基于注入能量EO的各碳原子分布在铜衬底10中形成掺杂层11，如图2所示。第二步:对已注入碳离子的催化衬底进行退火处理以使注入的碳原子析出，以便在所述催化衬底表面形成至少一层石墨烯薄膜层。例如，对图2所示的催化衬底10进行退火处理，使位于催化衬底10的碳原子获得能量，并利用铜的表面催化重结晶成石墨烯薄膜层12，如图3所示。第三步:去除所述已形成至少一层石墨烯薄膜层的结构的催化衬底以获得至少一层石墨烯薄膜层。其中，可采用腐蚀溶液来去除所述已形成至少一层石墨烯薄膜层的结构的催化衬底。例如，采用FeCl3溶液作为腐蚀溶液来去除图3所示的结构的铜衬底以获得一层石墨烯薄膜层12，如图4所示。实施例二:如图所示，本实施例的包括以下步骤:第一步:基于至少一种注入能量向催化衬底注入碳离子。其中，所述催化衬底包括任何一种对碳溶解度低的材料，优选地，包括但不限于:铜、镍等等。例如，如图5所示，先基于注入能量El向铜衬底20注入碳原子，随后再基于注入能量E2向铜衬底20注入碳原子，优选地，能量El >能量E2，由此，基于注入能量El的各碳原子分布在铜衬底20中形成掺杂层21，基于注入能量E2的各碳原子分布在铜衬底20中形成掺杂层22，如图6所示。第二步:对已注入碳离子的催化衬底进行退火处理以使注入的碳原子析出，以便在所述催化衬底表面形成至少一层石墨烯薄膜层。例如，对图6所示的催化衬底20进行退火处理，使位于催化衬底20的碳原子获得能量，此时，位于深度较浅的碳原子(即掺杂层22中的碳原子)将会先析出，并利用铜的表面催化重结晶成石墨烯薄膜层23，随后位于较深位置的碳原子(即掺杂层21中的碳原子)也会析出，这层碳首先将石墨烯薄膜层23顶起，然后再与铜表面接触，并利于铜的表面催化生长第二层石墨烯薄膜层24，如图7所示。第三步:去除所述已形成至少一层石墨烯薄膜层的结构的催化衬底以获得至少一层石墨烯薄膜层。其中，可采用腐蚀溶液来去除所述已形成至少一层石墨烯薄膜层的结构的催化衬底。例如，采用FeCl3溶液作为腐蚀溶液来去除图7所示的结构的铜衬底以获得两层石墨烯薄膜层23与24，如图8所示。基于上述各实施例，本领域技术人员应该理解，制备N(N ^ I)层石墨烯薄膜层，只要在催化衬底上，通过依次注入不同能量的碳原子，使碳原子依次分布在不同深度的催化衬底中，然后退火，使位于不同深度的碳原子获得能量，位于深度较浅的碳原子将会先析出，并利用铜的表面催化重结晶成石墨烯薄膜，随后位于较深位置的碳也会析出，较深位置的碳原子首先将已结晶形成的第一层的石墨烯顶起，然后再与铜表面接触，并利于铜的表面催化生长第二层石墨烯薄膜，因此，有N种不同的注入能量，就能制备出N层的石墨烯薄膜，在此不再一一详述。 综上所述，本专利技术的所获得的石墨烯薄膜，具有质量好、大尺寸且层数可控等优势。相比于SiC升华法，本法制备的石墨烯易于转移；相比与化学气相沉积法，本法制备的石墨烯具有层数可控的特点。另外，离子注入技术、退火技术在目前半导体行业都是非常成熟的工艺，故本法将能更快地推动石墨烯在半导体工业界的广泛应用。所以，本专利技术有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本专利技术的原理及其功效，而非用于限制本专利技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属
中具有通常知识者在未脱离本专利技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利技术的权利要求所涵盖。权利要求1.一种，其特征在于，所述至少包括步骤: 1)基于至少一种注入能量向催化衬底注入碳离子； 2)对已注入碳离子的催化衬底进行退火处理以使注入的碳离子析出，以便在所述催化衬底表面形成至少一层石墨烯薄膜层； 3)去除所述已形成至少一层石墨烯薄膜层的结构的催化衬底以获得至少一层石墨烯薄膜层。2.根据权利要求1所述的，其特征在于:所述步骤I)还包括: 以注入能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于控制离子注入的能量来制备石墨烯的方法，其特征在于，所述基于控制离子注入的能量来制备石墨烯的方法至少包括步骤：1)基于至少一种注入能量向催化衬底注入碳离子；2)对已注入碳离子的催化衬底进行退火处理以使注入的碳离子析出，以便在所述催化衬底表面形成至少一层石墨烯薄膜层；3)去除所述已形成至少一层石墨烯薄膜层的结构的催化衬底以获得至少一层石墨烯薄膜层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：狄增峰，王刚，张苗，陈达，叶林，郭庆磊，丁古巧，谢晓明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：