[發明專利]一種單晶石墨烯pn結及其制備方法

有效

• 申請號: 201210450582.4
• 申請日: 2012-11-12
• 公開（公告）號: CN102953118A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 劉忠范;剡剴;吳迪;彭海琳
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C30B25/02
• 分類號: C30B25/02;C30B29/02;C01B31/04
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

1.一種制備調制摻雜單晶石墨烯pn結的方法，包括下述步驟：

1)將銅箔置于反應器中并在還原性氣氛下進行退火；

2)在980-1020℃溫度下向所述反應器中通入碳源氣體與還原性氣體的混合氣體，在步驟1)退火后的銅箔表面生長亞單層的本征石墨烯孤島；

3)向所述反應器中通入惰性氣體與還原性氣體的混合氣體，以除去步驟2)中通入的碳源氣體；同時將體系溫度降低至900-960℃；

4)維持體系溫度在900-960℃，向所述反應器中通入含氮碳源與還原性氣體的混合氣體，在步驟2)所述本征石墨烯孤島的間隙中，以已有的孤島邊緣為起點生長氮摻雜的石墨烯；

5)重復所述步驟2)-4)的操作至少0次，得到單級或多級的石墨烯pn結；

6)降低體系溫度至室溫使得生長不再進行，得到沉積在銅箔表面的調制摻雜單晶石墨烯pn結。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟1)中所述銅箔的厚度為20μm-100μm，使用前經質量濃度5％的鹽酸及去離子水對表面進行常溫清洗；

所述退火的溫度為980-1040℃，退火時間為20min-60min；所述還原性氣氛為氫氣氣氛，流量為2sccm-20sccm，體系的壓強為1Pa-50Pa。

3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于：步驟2)中所述碳源氣體為甲烷氣體、乙烯或苯，所述甲烷氣體的純度不低于99.999％，所述甲烷氣體的流量為1sccm-5sccm；所述還原性氣體為氫氣，其流量為2-20sccm；體系的壓強為10Pa-20Pa；所述生長的時間為10s-30s；所述本征石墨烯孤島的尺寸在2μm-20μm之間。

4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于：步驟3)中所述惰性氣體為氬氣，其流量為50sccm-200sccm；所述還原性氣體為氫氣，其流量為2-20sccm；通入惰性氣體與還原性氣體的混合氣體的時間為1-3min。

5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于：步驟4)中所述含氮碳源為乙腈蒸汽或吡啶蒸汽，體系中所述乙腈蒸汽或吡啶蒸汽的分壓為1-5Pa；所述還原性氣體為氫氣，其流量為2-20sccm；

所述生長的時間小于30s，生長得到的是孤立的調制摻雜石墨烯孤島；

所述生長時間大于3min，生長得到的是連續的調制摻雜石墨烯薄膜；

所述生長時間在30s-3min之間，生長得到的是準連續的調制摻雜石墨烯薄膜。

6.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于：所述方法還包括將步驟6)得到的沉積在銅箔表面的調制摻雜石墨烯pn結使用聚甲基丙烯酸甲酯轉移到任意目標基底表面的步驟。

7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于：所述步驟具體如下：將質量分數為2％-5％的聚甲基丙烯酸甲酯的乳酸乙酯溶液懸涂于調制摻雜石墨烯pn結表面，制得聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，所述懸涂速率為1000rpm-4000rpm，懸涂時間為30s-60s；隨后在170℃下進行60s以上的烘烤；使用濃度不低于1M的三氯化鐵酸性溶液或過硫酸鹽溶液作為銅箔的刻蝕劑對銅進行刻蝕，刻蝕時間為5min-30min，得到由聚甲基丙烯酸甲酯支撐的調制摻雜石墨烯pn結薄膜；將該薄膜置于目標基底上晾干并使用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯后即可得到轉移后的調制摻雜石墨烯pn結薄膜。

8.權利要求1-7中任一項所述的方法制備得到的調制摻雜單晶石墨烯pn結。

9.權利要求8所述的調制摻雜單晶石墨烯pn結在制備光電檢測器件中的應用。

10.權利要求8所述的調制摻雜單晶石墨烯pn結在制備邏輯器件中的應用。