[發明專利]一種原子尺度石墨烯溝槽的制備方法

有效

• 申請號: 201210213139.5
• 申請日: 2012-06-25
• 公開（公告）號: CN102689897A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 魏子鈞;葉天揚;李晨;傅云義;黃如;張興
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 賈曉玲

技術領域

本發明提出了一種制備原子尺度石墨烯溝槽的方法，可用于制造原子尺度的石墨烯溝槽及基于此方法的各種微結構和器件，在材料學、物理學、微電子學和納電子學領域具有應用價值。

背景技術

石墨烯是一種新型二維材料，在2004年由A.K.Geim和K.S.Novoselov發現的，是單原子層的薄膜，能夠穩定存在于大氣環境下，具有完美的晶體結構和優異的性能，在許多領域具有廣泛的研究和應用價值。

由于石墨烯的獨特晶體結構，使其具有極高的載流子遷移率，最高可達2×10⁵cm²V^-1s^-1，約為硅中電子遷移率的140倍，且在強電場輸運時遷移率不會有明顯退化。石墨烯中碳原子形成穩定的sp²雜化軌道，使其具有較高的電流承載密度和較強的抗電遷移能力。結合物理尺度方面的優勢，石墨烯在新型高速電子器件領域有著巨大的應用前景。

圖形化是將石墨烯應用于電子器件及集成電路領域的關鍵技術，理論上，所有的有源和無源器件(包括：晶體管、電阻、電感、電容等)和其它具有特定功能的微結構(例如：互聯線、傳輸線等)，均可由石墨烯來實現，其關鍵是石墨烯的圖形化技術。目前主流的石墨烯圖形化技術是結合電子束曝光和等離子體刻蝕來實現，溝槽的尺度在微米和納米尺度，而且刻蝕形成的石墨烯邊緣缺陷較多、手性不可控，迄今尚無法在原子尺度上進行石墨烯的圖形化、無法刻蝕出寬度在原子尺度的石墨烯溝槽。

發明內容

本發明目的在于提供一種制備原子尺度石墨烯溝槽的方法。

本發明提出一種原子尺度石墨烯溝槽的制備方法，可通過如下技術方案實現：

1．制備石墨烯，并將其放置在耐高溫襯底上或者懸空，石墨烯的尺寸和層數均無特殊要求。

石墨烯制備的方法有多種：機械剝離、化學氣相合成(CVD)和氧化石墨烯還原等方法。

若將石墨烯放置于襯底上，則應該選用400℃~800℃下結構穩定且不與石墨烯發生反應的襯底，如：SiO₂/Si，BN，石英，云母，藍寶石，氧化石墨等。

2．在石墨烯表面淀積單個金屬原子或或由若干原子組成的金屬原子簇?？纱呋涛g石墨烯的金屬有多種，如Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Zn等。金屬原子簇的尺度在10nm以下。

淀積單個金屬原子：可利用掃描隧道顯微鏡針尖移動金屬原子來實現，先將樣品放置在低壓金屬蒸氣中1min以上，使金屬原子吸附在樣品的表面，再將樣品放入STM腔中，并抽至超高真空(<10^-7Torr)，降溫至10K以下；將STM針尖移動至淀積金屬的區域進行圖像掃描，然后將針尖移至待移動的某一金屬原子處，并靠近金屬原子、直至捕獲該金屬原子，待狀態穩定后再勻速、緩慢地沿表面移動針尖，金屬原子隨STM針尖同步移至待刻蝕的石墨烯區域，最后使金屬原子與針尖分離，將金屬原子置于預設的位置。

淀積金屬原子簇的方法有兩種：

（1）在石墨烯表面通過物理氣相淀積(PVD)方法淀積金屬，厚度為0.5nm~5nm，再經退火處理即可形成金屬原子簇；

（2）在石墨烯表面旋涂由金屬離子與可揮發性酸根離子組成的鹽溶液（如NiCl₂、FeCl₂、FeCl₃、ZnCl₂、CuCl₂、Zn(NO₃)₂、Cu(NO₃)₂、Fe(NO₃)₂、Fe(NO₃)₃等），再經過退火處理即可形成金屬原子簇。

上述兩種途徑中的退火處理，均是在150℃～400℃下保溫5min～30min后自然冷卻，退火過程在Ar/H₂氛圍下進行，其中Ar和H₂流量分別在100sccm～500sccm和5sccm～50sccm范圍內。