[發(fā)明專利]一種石墨烯的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210390882.8
• 申請日: 2012-10-15
• 公開（公告）號: CN102874801A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 狄增峰;王剛;朱云;陳達(dá);張苗;丁古巧;謝曉明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，涉及一種石墨烯的制備方法，特別涉及一種采用化學(xué)氣相沉積制備石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯，即石墨的單原子層，是碳原子按照sp²成鍵形成的以蜂窩狀排列的二維結(jié)構(gòu)。2004年英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家使用微機(jī)械剝離的方法發(fā)現(xiàn)了石墨烯，并于2010?年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以后，由于其在機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)都具有優(yōu)異的性能，例如很高的電子遷移率、室溫下表現(xiàn)出長程彈道輸運(yùn)性質(zhì)、帶隙可以調(diào)控等，使其擁有巨大的應(yīng)用前景，從而學(xué)術(shù)界、工業(yè)界對其備受矚目，引發(fā)了物理和材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱潮。石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景，有望廣泛用于基于石墨烯的觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等領(lǐng)域。石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它在傳感器領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景，例如，基于大面積、層數(shù)可控的石墨烯薄膜的基礎(chǔ)上的氣體探測器，其巨大的表面積使它對周圍的環(huán)境非常敏感，即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。

但是，可控合成具有特定形貌的石墨烯材料問題仍舊沒有得到解決。基于此，石墨烯的研究仍停留在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，距離大規(guī)模的應(yīng)用仍有一段距離。

目前石墨烯的制備方法主要有微機(jī)械剝離、SiC升華法、氧化石墨還原法和化學(xué)氣相淀積。微機(jī)械剝離法可以制備高質(zhì)量的石墨烯，但是目前此方法制備的石墨烯面積小于1?mm×1?mm，只能用于基礎(chǔ)實(shí)驗研究。SiC升華法制備的石墨烯受襯底的影響很大，層數(shù)不均一，無法進(jìn)行襯底轉(zhuǎn)移。氧化石墨還原法可以化學(xué)制備大量的石墨烯樣品，在一定程度上滿足工業(yè)應(yīng)用要求，然而由于氧化劑的引入，破壞了石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)。盡管化學(xué)還原和高溫?zé)崽幚砟軌蛟谝欢ǔ潭壬匣謴?fù)石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)，然而石墨烯的固有電學(xué)性能大大降低。

化學(xué)氣相沉積方法是目前制備高質(zhì)量大面積石墨烯的重要方法，主要由于其具有低勞動強(qiáng)度、低成本、可規(guī)模化生產(chǎn)等特點(diǎn)。最近，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯膜可以生長在鐵、鈷、鎳、銅等金屬薄膜上，并且易于襯底轉(zhuǎn)移，開拓了高質(zhì)量石墨烯在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用前景。盡管生長機(jī)理有所不同，但金屬被認(rèn)為在石墨烯的生長過程中是必不可少的催化劑。

由于金屬的存在，石墨烯不能直接被用于石墨烯器件的組裝。目前借助于聚合物例如聚甲基丙烯酸酯（PMMA)，聚二甲基硅氧烷（PDMS)等作為轉(zhuǎn)移媒介，利用金屬刻蝕劑刻蝕金屬催化劑，實(shí)現(xiàn)了石墨烯從金屬薄膜向石英基底（SiO₂）和帶有二氧化硅涂層的硅片基底（S?iO₂/Si)上的轉(zhuǎn)移，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高性能的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜和場效應(yīng)晶體管器件的組裝。然而繁瑣的轉(zhuǎn)移過程易于造成聚合物雜質(zhì)和金屬雜質(zhì)的引入，褶皺的形成以及石墨烯和轉(zhuǎn)移基底之間較弱的粘附作用。盡管借助于較薄的金屬催化劑實(shí)現(xiàn)了石墨烯在二氧化硅基底的直接組裝，簡化了制備工藝，然而上述轉(zhuǎn)移缺點(diǎn)仍然很難被完全克服。同時，此種石墨烯薄膜厚度的可控性較差，鎳金屬上會長出厚度不均勻的多層膜，而銅上只能生長出單層薄膜和少量的雙層薄膜。

因此如何實(shí)現(xiàn)層數(shù)可控的石墨烯直接合成在非金屬材料上成為石墨烯領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。專利CN?102161482?A公開了一種在石英、硅或帶有二氧化硅涂層的硅基底上采用化學(xué)氣相沉積生長石墨烯的方法，其簡化了石墨烯在金屬基底上的制備工藝，同時和半導(dǎo)體工業(yè)相容。不過，一方面該專利中未涉及除含硅成分外的其他非金屬材料作為基底材料（即催化襯底）的情況，例如，并未披露鍺半導(dǎo)體材料作為生長石墨烯的基底材料的情況，另一方面，該專利中制備的石墨烯的拉曼（Raman）光譜中仍存在D-band（D峰），即仍存在質(zhì)量缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中無法直接在半導(dǎo)體材料上制備層數(shù)可控且無缺陷的高質(zhì)量石墨烯的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種石墨烯的制備方法，所述制備方法至少包括：

1）提供一半導(dǎo)體基底；

2）在氫氣和惰性氣氛下，將所述半導(dǎo)體基底加熱至810~910℃；

3）保持步驟2）中溫度不變，在氫氣和惰性氣氛下向步驟2）的反應(yīng)體系中通入碳源，采用化學(xué)氣相沉積的方法在所述步驟2）處理完畢的半導(dǎo)體基底表面進(jìn)行反應(yīng)；

4）反應(yīng)完畢后關(guān)閉所述碳源，并在氫氣和惰性氣氛下冷卻至室溫，完成在所述半導(dǎo)體基底表面制備石墨烯。

可選地，所述半導(dǎo)體基底包括鍺或砷化鎵。