[發明專利]基于Cu膜輔助退火和Cl2反應的大面積石墨烯制備方法

有效

• 申請號: 201210009503.6
• 申請日: 2012-01-03
• 公開（公告）號: CN102583329A
• 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，涉及一種半導體薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于Cu膜輔助退火和Cl₂反應的大面積石墨烯制備方法。

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，層數不均勻，且尺寸較小，很難大面積制造石墨烯。

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Cu膜輔助退火和Cl₂反應的大面積石墨烯制備方法，以提高表面光滑度和連續性、降低孔隙率、減少成本，實現在3C-SiC襯底上大面積的制造石墨烯。

為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟：

(1)對4-12英寸的Si襯底基片進行標準清洗；

(2)將清洗后的Si襯底基片放入CVD系統反應室中，對反應室抽真空達到10^-7mbar級別；

(3)在H₂保護的情況下逐步升溫至碳化溫度1000℃-1150℃，通入流量為40sccm的C₃H₈，對襯底進行碳化4-8min，生長一層碳化層；

(4)迅速升溫至生長溫度1150℃-1350℃，通入C₃H₈和SiH₄，進行3C-SiC異質外延薄膜的生長，時間為36-60min，然后在H₂保護下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長；

(5)將生長好的3C-SiC樣片置于石英管中，加熱至700-1100℃；

(6)向石英管中通入Ar氣和Cl₂氣的混合氣體，持續時間4-7min，使Cl₂與3C-SiC反應生成碳膜；

(7)將生成的碳膜樣片的碳面置于Cu膜上，再將它們一同置于Ar氣中在溫度為900-1100℃下退火10-30分鐘，碳膜重構成石墨烯，再將Cu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.本發明由于在生長3C-SiC時先在Si襯底上成長一層碳化層作為過渡，然后再生長3C-SiC，因而生長的3C-SiC質量高。

2.本發明由于3C-SiC可異質外延生長在Si圓片上，而Si圓片尺寸可達12英寸，因而用此方法可以生長大面積的石墨烯，且價格便宜。

3.本發明中3C-SiC與Cl₂可在較低的溫度和常壓下反應，且反應速率快。

4.本發明由于利用3C-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。

5.本發明由于利用在Cu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：去除樣品表面污染物。