[發明專利]基于Cu膜退火和氯氣反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法

無效

• 申請號: 201310078857.0
• 申請日: 2013-03-12
• 公開（公告）號: CN103183522A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發明（設計）人: 郭輝;凌顯寶;張玉明;張晨旭;雷天民
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: C04B41/50
• 分類號: C04B41/50;C04B41/85;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，涉及半導體材料及其制備方法，具體地說是基于Cu膜退火和氯氣反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法。

技術背景

隨著2010年諾貝爾物理學獎得主的揭曉，石墨烯（Graphene）也成為大家討論的焦點。2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫利用普通膠帶成功地從石墨中剝離出石墨烯，這種材料僅有一個碳原子厚，是目前已知的最薄的材料。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固而柔軟；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序的領域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破，他的問世引起了全世界的研究熱潮。

石墨烯可用于生物、光學、電學和傳感器等諸多領域。例如，石墨烯具有大的比表面積和生物相容性，可用于生物蛋白質或酶等生物大分子的固定及特定生物化學傳感器的制作；由于石墨烯具有特殊的層狀結構、超大的比表面積，因而可以提高電池的比容量，成為重要儲能裝置的電極材料；石墨烯具有良好的透光性，可以用于制作透明的導電膜并將其應用于太陽能電池中；某些氣體分子的吸附能誘導石墨烯的電子結構發生變化，從而使其導電性能快速的發生很大的變化，可用于氣體傳感器的研究。

鑒于石墨烯具有諸多優于常規材料的性質，在理論基礎研究和納米電子學具有廣闊的應用前景，因此制備大面積、高質量、低缺陷的石墨烯是一項亟待解決的首要問題。目前，石墨烯的制備方法有很多種，但主要有以下三種：

1.微機械剝離石墨法：微機械剝離石墨法主要使用微機械外力從石墨晶體表面剝離出石墨烯片層結構。因為石墨晶體是片層結構，各層之間以范德瓦爾斯力微弱的結合。范德瓦爾斯力屬于分子力，其強度量級約為300nN/μm²，互作用能量約為2eV/nm²，遠遠小于層內的C-C共價鍵的結合強度，因此可以通過施加輕微的外力，把石墨烯從石墨晶體中撕扯下來，或者通過石墨晶體與其他固體表面磨擦，分離出石墨烯。該方法具有成本低，樣品質量高，且片層數可控的優點，缺點是很難精確控制大小，重復性較差，產量低，效率低，難以實現石墨烯的大面積和規模化制備，且耗費時間較長，尺寸僅0.1mm²左右，僅限于作為實驗室的基礎理論研究方面的應用。

2.金屬襯底的化學氣相沉積法：該方法制備石墨烯材料的機理是，在約800～1200℃的高溫氣態條件下，經過具有催化活性的過渡金屬表面時，氣態碳氫化合物等在金屬表面脫氫，剩余游離態的碳原子吸附在金屬表面，冷卻時以sp²鍵合形成石墨烯結構。該方法是近年來制備大面積、高質量石墨烯比較有效的方法之一，并且可以與現有的半導體制造工藝兼容。但是，使用化學氣相淀積法制備石墨烯存在工藝復雜、成本較高精確控制較差且重復性差等缺點，很難做到無損轉移，石墨烯難以與襯底完美兼容和匹配；同時也很難控制樣品的二維平整性，會損失某些性質，因而制約了這種方法大規模應用到生產上的潛力。

3.氧化石墨還原法：氧化石墨還原法是在一定的化學條件下，利用氧化反應，將環氧基、羥基、羰基和羧基等親水性基團引入石墨結構中，得到氧化石墨，再利用還原劑還原或熱處理等方法，還原氧化石墨獲得石墨烯的方法。該方法包括三個過程：氧化、剝離和還原，特點是反應條件溫和，可控性強。由于氧化石墨是含有豐富含氧官能團的石墨烯衍生物，可通過化學氧化剝離廉價然而，由于含氧基團的引入，破壞了石墨的共軛結構，大大降低了導電性，并且在還原時共軛結構很難完全恢復，因此如何選擇適宜的反應條件和還原劑，最大程度降低氧化造成的缺陷，恢復石墨烯的共軛結構是這種方法亟待解決的問題的石墨獲得。

4.在碳化硅襯底上外延生長石墨烯：該方法的核心是在對SiC襯底完成表面預處理后，利用Si具有比C更高的飽和蒸汽壓的性質，在大于1100℃的高溫和小于10^-6Pa超高真空條件下，Si原子率先從襯底表面升華，剩余的C原子重構成石墨烯層。外延生長法制備的石墨烯表現出較高的載流子遷移率等特性，因而表現出杰出的電學性質，但由于SiC晶體表面結構較為復雜，難以獲得大面積、厚度均勻的石墨烯。

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膜退火和氯氣反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法，以解決現有技術制備的石墨烯面積小，不能用于規模化生產，層數不均勻，缺陷多，載流子遷移率不穩定的問題，從而提高石墨烯表面光滑度和連續性、降低孔隙率。

為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟：