[發明專利]一種在各種基底上直接生長石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201010191154.5
• 申請日: 2010-05-26
• 公開（公告）號: CN102260858A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 張廣宇;時東霞;張連昌
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/44
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周長興

技術領域

本發明涉及一種生長石墨烯的方法，更具體地說，涉及一種在各種基底上直接生長石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是由sp²雜化碳原子鍵合，且具有六方點陣蜂窩狀二維結構的單層平面石墨，具有極高的晶體品質和電學性能。作為一種嚴格的二維晶體材料，石墨烯具有獨特的物理性能，載流子濃度高達10¹³cm^-2，遷移率超過20000cm²V^-1s^-1，為晶體管、傳感器等高性能器件的制備提供了材料基礎。

石墨烯的首次報道是2004年英國曼徹斯特大學A.K.Geim教授研究組通過機械的辦法可從石墨上成功地剝離下來的。通過機械剝離的方法從石墨上層層剝離可以得到單層的石墨片，即石墨烯。這種方法得到的石墨烯面積小、成本高、僅可用于基礎研究，不適用于器件的集成，限制了它的應用。因此，高質量、大面積石墨烯的可控制備是石墨烯研究領域的重要問題。在石墨烯的制備方面，目前主要有三種生長方法：一、化學氣相沉積法(CVD)。這種方法是利用在基片表面沉積一層幾十納米厚的具有催化性能的多晶金屬薄膜(例如：Ni，Cu等)，然后利用熱催化分解碳氫化合物(如：CH4，C2H2等)來在金屬薄膜的表面生長石墨烯。二、SiC表面外延法。這種方法是利用高溫(～1350℃)處理SiC基底的辦法來蒸發掉表面的硅原子，留下碳原子，形成石墨烯。三、金屬單晶表面外延法。和方法一類似，催化劑為具有催化性能的金屬單晶，然后利用晶體內部碳雜質的析出或熱催化分解碳氫化合物，在金屬薄膜的表面外延石墨烯。和方法一不同之處在于生長的石墨烯的晶格和金屬單晶的晶格相匹配。這幾種方法生長石墨烯均需要高的基底溫度，另外CVD生長過程中需要催化金屬，必須在后續處理中除去石墨烯中的催化劑，而石墨烯外延生長的單晶基底價格昂貴。在其它基底上得到石墨烯薄膜，必須通過石墨烯的轉移技術來實現。上述所存在的這些問題均限制了石墨烯的發展應用。方法簡便、價格便宜、在非特異性基底表面直接生長高質量石墨烯目前還是一大難題，目前還沒有任何文獻報道類似的工作。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在各種基底上直接生長石墨烯的方法，以解決在非特異性基底表面直接生長高質量石墨烯的難題。

為實現上述目的，本發明提供的方法，是利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法，通過等離子體分解碳氫化合物，將其離化成活性基團(CH⁺，CH²⁺，CH³⁺等)，在一定的溫度下，在基底表面按照成核-長大-成膜的機理，實現石墨烯的直接生長。首先在基底表面隨機成核，生長，在低覆蓋度時形成分散的幾十納米的石墨烯小島；隨著覆蓋度的增加，石墨烯小島長大，相鄰小島之間無縫拼接，最終形成連續的石墨烯薄膜，覆蓋整個基底表面。值得注意的是，生成的大面積石墨烯薄膜是均勻一致連續的。這種生長機制類似于金剛石的等離子體增強化學氣相沉積法生長，所不同的是金剛石中碳碳之間以sp3雜化成鍵，而石墨烯中碳碳之間以sp2雜化成鍵。由于生長的過程發生在石墨烯的邊緣，是典型的二維生長模式，不需要催化劑，生長溫度低，可以在任意基底上實現石墨烯的生長，包括4英寸的晶片以及玻璃襯底。這種生長石墨烯的方法簡單、成本低，并且和現有的半導體加工技術相兼容，可以實現器件的集成加工，在薄膜電阻、氣體傳感器、電極材料、透明導電薄膜等領域具有廣闊的應用前景。

具體地說，本發明的方法其主要步驟是：

在各種基底上直接生長石墨烯的方法，其主要步驟為：

A)基底材料放入PECVD腔體中，抽真空，基底升溫到400-600℃，通入碳氫化合物氣體以及其它惰性氣體，控制氣體的氣壓不超過1Torr；

B)開啟等離子體電源，使碳氫化合物離化裂解成活性基團，在400-600℃的基底表面發生反應，實現石墨烯的直接生長。

所述的方法，其中步驟A中的基底材料為金屬、絕緣體或半導體材料。

所述的方法，其中基底材料為金屬薄膜、Si、SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、石英、云母或玻璃等。

所述的方法，其中步驟A中抽真空度為10^-2-10^-3Torr，主要是去除空氣中的氧，水等活性氣體，保持清潔的生長環境的目的。