[發(fā)明專利]一種單晶石墨烯pn結(jié)及其制備方法

有效

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• 申請日: 2012-11-12
• 公開（公告）號: CN102953118A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發(fā)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(chǎn)權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

技術領域

本發(fā)明涉及一種單晶石墨烯pn結(jié)及其制備方法。

背景技術

石墨烯是一種由單層碳原子按照六方對稱的蜂巢結(jié)構排布成的二維薄膜材料。由于石墨烯在電學、光學、熱學以及力學等方面具有優(yōu)異的性質(zhì)，自其被發(fā)現(xiàn)以來就引起物理、化學、生物、材料等各領域的廣泛關注，同時也受到工業(yè)界的廣泛關注。對于電子傳輸而言，石墨烯的電子遷移率比傳統(tǒng)的硅材料高兩個數(shù)量級以上，而且對稱的能帶結(jié)構導致其具有匹配的電子和空穴遷移率，因而石墨烯被視為硅基電子學的有力競爭者。光學方面，石墨烯在從可見光至遠紅外范圍內(nèi)保持良好的透光性，吸光率僅為0.23％，結(jié)合其優(yōu)異的導電性及柔韌性，石墨烯有望取代ITO等材料成為下一代的透明導電材料。

與硅基電子學類似，石墨烯在電子學以及光電子學領域的應用離不開有效地摻雜以及pn結(jié)的構筑，即根據(jù)需要將不同區(qū)域的石墨烯費米能級調(diào)節(jié)到合適的位置，繼而實現(xiàn)特定的電子運算性能以及光電轉(zhuǎn)換性能。由于石墨烯僅有一層碳原子構成，碳原子之間的共價鍵強度很大，傳統(tǒng)的諸如離子注入等用于硅材料摻雜的方法不再適用。目前制備石墨烯單晶pn結(jié)的方法往往基于機械剝離得到的微米尺度石墨烯，不利于規(guī)模的擴大；此外，實現(xiàn)摻雜的方法一般也都局限在對外界環(huán)境的控制上，通過制備結(jié)構復雜的頂柵或使用穩(wěn)定性較差的表面吸附來實現(xiàn)石墨烯的局域摻雜及pn結(jié)的構筑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)及其制備方法。

本發(fā)明所提供的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)是按照包括下述步驟的方法制備得到的：

1)將銅箔置于反應器中并在還原性氣氛下進行退火，還原銅箔表面殘留的氧化物并擴大銅晶疇尺寸；

2)在980-1020℃溫度下向所述反應器中通入一定時間的碳源氣體與還原性氣體的混合氣體，在銅箔表面生長得到亞單層的本征石墨烯孤島；

3)向所述反應器中通入一定時間的惰性氣體與還原性氣體的混合氣體，對前一步的生長氣氛(即碳源氣體)進行清理，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一定時間的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)根據(jù)需要重復上述步驟2)-4)的操作，得到單級或多級的石墨烯pn結(jié)；

6)迅速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(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)。

其中，步驟1)中所述銅箔為商業(yè)化產(chǎn)品，銅箔純度在99％以上，厚度可為20μm-100μm，使用前需經(jīng)質(zhì)量濃度5％的稀鹽酸及去離子水對表面進行常溫清洗。所述退火在980-1040℃之間進行，退火時間為20min-60min。退火后銅的晶疇可達數(shù)百微米。所用還原性氣氛為氫氣氣氛，流量為2sccm-20sccm，體系壓強在1Pa-50Pa之間。所述反應器可采用帶有磁力控制裝置的套管，通過將套管置于管式爐中實現(xiàn)加熱。

步驟2)中所述碳源氣體可為甲烷氣體、乙烯或苯等。所用甲烷純度不低于99.999％，甲烷的流量為1sccm-5sccm。所述還原性氣體為氫氣，其流量為2-20sccm。生長時間為10s-30s，體系壓強為10Pa-20Pa。得到的本征石墨烯孤島尺寸強烈受到生長條件影響，在2μm-20μm之間(由于孤島不規(guī)則，可以看成是平均直徑)。

步驟3)所用的惰性氣體為氬氣，流量為50sccm-200sccm；所用的還原性氣體為氫氣，流量為2-20sccm，該步驟處理時間為1-3min。

步驟4)中所述含氮碳源可為乙腈蒸汽或吡啶蒸汽。以乙腈為例，采用分析純以上純度商用作為生長氮摻雜石墨烯的含氮碳源，使用針閥對氣流進行調(diào)節(jié)，體系中乙腈的分壓為1-5Pa。所用的還原性氣體為氫氣，流量為2-20sccm。當生長時間小于30s時得到的是孤立的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)孤島，大于3min后可得到連續(xù)的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)薄膜，當生長時間在30s-3min之間，得到的是準連續(xù)的薄膜，即有些地方連起來了，有些地方還有縫隙。

步驟6)中使用磁力套管將樣品從高溫區(qū)拖至室溫區(qū)域，迅速終止生長的繼續(xù)進行。

所述方法還包括將步驟6)得到的沉積在銅箔表面的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)轉(zhuǎn)移到特定的基底表面。