[發明專利]一種退化石墨烯氧化物的電誘導還原方法

無效

• 申請號: 201110351180.4
• 申請日: 2011-11-09
• 公開（公告）號: CN102502605A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 周鵬;孫清清;魏紅強;張衛
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于碳基集成電路制造技術領域，具體涉及一種石墨烯氧化物的還原方法。特別涉及一種使用導電原子力顯微鏡（C-AFM）來制備和納米刻蝕石墨烯的方法。

背景技術

在半導體制造領域，隨著集成度的提高，線寬的縮小，當前集成電路的材料基礎——硅，逐漸達到其材料加工極限——10納米線寬，而硅基集成電路在11納米后無法突破其物理局限包括電流傳輸損耗，量子效應，熱效應等，因此很難生產出性能穩定、集成度更高的產品，半導體產業似乎遇到了無法逾越的瓶頸。

然而在2004年，一種新型半導體材料——石墨烯（Graphene）的發現讓人們看到了希望。石墨烯（Graphene）是由單層六角元胞碳原子組成的蜂窩狀二維晶體，是石墨中的一層。圖1所示為石墨烯的基本結構示意圖。石墨烯具有零禁帶特性，能帶結構就像一個大寫字母的X,?同時，石墨烯還具有遠比硅高的載流子遷移率,所以它是一種性能優異的半導體材料。基于其獨特的二維結構和物理特性，石墨烯被認為是下一代集成電路中有望延續摩爾定律的重要材料。

石墨烯高電子遷移率的特性使其最早被應用在高頻器件中，但是，零帶隙特性卻成為石墨烯應用在邏輯器件的一大障礙。研究發現，還原后的石墨烯氧化物（rGO，reduced?Graphene?Oxide）相比于石墨烯會出現介于0?eV到0.5?eV之間大小的禁帶寬度，其電子遷移率仍可媲美摻雜的導電聚合物，是摻雜的氫化非晶硅的33,000倍。作為還原方法中的一種，使用C-AFM的電誘導還原方法對石墨烯氧化物進行還原，可以做到對還原物的納米尺度的控制和還原程度的控制，是一種有效和新穎的方法，將進一步推動碳基集成電路的發展。

發明內容

本發明的目的在于提出一種適用于石墨烯氧化物的還原的方法，該石墨烯氧化物的還原方法可以在未來超越硅材料后的碳基大規模集成電路制造中獲得全面應用?。

本發明提出的石墨烯氧化物的還原方法，亦稱石墨烯氧化物的形成及電誘導還原加工方法，具體步驟包括：

利用化學氣相沉積方法在提供的高摻雜的硅片襯底上形成石墨烯層；

將所述石墨烯層經過氧化處理，形成石墨烯氧化物；

利用電壓可控的納米尺寸導電接觸探針使得絕緣性的石墨烯氧化物還原為導電性的石墨烯，或者石墨烯與石墨烯氧化物的混合物。

進一步地，所述的氧化處理是采用反應離子刻蝕及遠程等離子氧化，且選擇半導體常用的刻蝕去膠設備進行氧化。使用導電原子力顯微鏡來完成電誘導還原，所述納米尺寸導電接觸探針是涂有15--30納米PtIr層的導電探針（典型的如20納米PtIr層），加在石墨烯氧化物和探針之間的壓差應該在3V以上。另外，石墨烯氧化物所處的襯底是高摻雜的硅片（如高濃度p型摻雜的硅片），總處于低電位，在室溫環境中，要求保持空氣相對濕度最好高于25%?。

石墨烯氧化物可以看作是由石墨烯吸附大量氧離子功能團形成，調節功能團可以調制石墨烯的電學、光學等屬性，同時石墨烯氧化物在一定的加電場條件下可以由相對絕緣性轉換為導電性的石墨烯，或者石墨烯與石墨烯氧化物的混合物。

本發明采用接觸探針電誘導還原方法對導電襯底上的石墨烯氧化物進行還原，可以做到對還原圖形和還原程度的有效控制，類似于熱探針還原方法。在室溫下空氣環境中，石墨烯氧化物表面會存在一層水膜，導電探針和樣品之間的電壓差會使水分子電解，產生的氫離子會被低電位的石墨烯氧化物所吸引而參與到石墨烯氧化物的還原過程當中。控制石墨烯氧化物與導電探針之間的不同壓差可以控制石墨烯氧化物的還原程度，控制導電探針在石墨烯氧化物表面的走向可以控制還原得到的圖形。因此，該工藝可以被稱為石墨烯氧化物的形成及電誘導還原方法。

采用接觸探針電誘導還原法對導電襯底上的石墨烯氧化物進行可控還原，通過控制探針電壓來控制還原石墨烯氧化物的成分從而控制還原產物的電阻率。利用單原子尺寸導電接觸探針對石墨烯氧化物進行還原是一種新穎的還原石墨烯氧化物的方法，它可以直接應用在納米尺度的平面器件制備當中，大大簡化了此種器件制備的復雜性。該方法也可以作為石墨烯基電子器件的基本加工工藝。

附圖說明

圖1為石墨烯基本結構示意圖。

圖2至圖3為本發明提供的石墨烯氧化物的形成過程示意圖。

圖4和圖5分別為本發明提供的還原后的石墨烯氧化物的示意圖。

圖6為本發明還原方法的裝置圖示。

具體實施方式