[發明專利]基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201210007709.5
• 申請日: 2012-01-03
• 公開（公告）號: CN102583325A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 郭輝;張克基;張玉明;鄧鵬飛;雷天民
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于Ni膜退火和Cl₂反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法。

技術背景

石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。目前的制備方法主要有兩種：

1.化學氣相沉積法提供了一種可控制備石墨烯的有效方法，它是將平面基底，如金屬薄膜、金屬單晶等置于高溫可分解的前驅體，如甲烷、乙烯等氣氛中，通過高溫退火使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨立的石墨烯片。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅體的流量等參數可調控石墨烯的生長，如生長速率、厚度、面積等，此方法最大的缺點在于獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強，喪失了許多單層石墨烯的性質，而且石墨烯的連續性不是很好。

2.熱分解SiC法：將單晶SiC加熱以通過使表面上的SiC分解而除去Si，隨后殘留的碳形成石墨烯。然而，SiC熱分解中使用的單晶SiC非常昂貴，并且生長出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，層數不均勻。

現有的石墨烯的制備方法，如申請號為200810113596.0的“化學氣相沉積法制備石墨烯的方法”專利，公開的方法是：首先制備催化劑，然后進行高溫化學氣相沉積，將帶有催化劑的襯底放入無氧反應器中，使襯底達到500-1200℃，再通入含碳氣源進行化學沉積而得到石墨烯，然后對石墨烯進行提純(即酸處理或低壓、高溫下蒸發)除去催化劑。該方法的主要缺點是：工藝復雜，需要專門去除催化劑，能源消耗大，生產成本高。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于Ni膜退火和Cl₂反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法，以提高表面光滑度和連續性、降低孔隙率。

為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟：

(1)對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物；

(2)將清洗后的SiC樣片置于石英管中，加熱至700-1100℃；

(3)向石英管中通入Ar氣和Cl₂氣的混合氣體，持續時間3-8min，使Cl₂與3C-SiC反應生成碳膜；

(4)在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；

(5)將生成的碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，并將它們一同置于Ar氣中在溫度為1000-1200℃下退火10-30min，使碳膜重構成石墨烯，再將Ni膜從石墨烯樣片上取開。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1.本發明使用的方法工藝簡單，節約能源，安全性高。

2.本發明中SiC與Cl₂可在較低的溫度和常壓下反應，且反應速率快。

3.本發明由于利用SiC與Cl₂氣反應，因而生成的石墨烯表面光滑，空隙率低，且厚度容易控制，可用于對氣體和液體的密封。

4.本發明由于利用在Ni膜上退火，因而生成的碳膜更容易重構形成連續性較好的石墨烯。

附圖說明

圖1是本發明制備石墨烯的裝置示意圖；

圖2是本發明制備石墨烯的流程圖。

具體實施方式

參照圖1，本發明的制備設備主要由石英管1和電阻爐2組成，其中石英管1設有進氣口3和出氣口4，電阻爐為2為環狀空心結構，石英管1插裝在電阻爐2內。

參照圖2，本發明的制作方法給出如下三種實施例。

實施例1

步驟1：清洗6H-SiC樣片，以去除表面污染物。

(1.1)對6H-SiC襯底基片使用NH₄OH+H₂O₂試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；

(1.2)將去除表面有機殘余物后的6H-SiC樣片再使用HCl+H₂O₂試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。

步驟2：將6H-SiC樣片裝入石英管，并排氣加熱。