[發明專利]一種石墨烯圖形化摻雜方法

有效

• 申請號: 201310692748.8
• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN103710759A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 葉冬;于堯;吳躍;柳林
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C30B31/20
• 分類號: C30B31/20
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于摻雜工藝技術領域，更具體地，涉及一種石墨烯圖形化摻雜方法。

背景技術

石墨烯是由單層碳原子蜂窩狀排列構成的二維晶體，具有高電導率、遷移率、透光性及其他諸多優異性能。摻雜后，石墨烯的連續能帶將被打開，使其轉變成具有一定帶隙的半導體材料。摻雜石墨烯薄膜及其相關器件已經成為物理、化學、生物以及材料科學領域的一個研究熱點。迄今為止，人們已經制備出多種以摻雜石墨烯薄膜為基本功能單元的器件，包括場效應晶體管、太陽能電池、傳感器等。

基于石墨烯單片集成的電子器件，比如PN結，通常需要精確圖形化摻雜。目前常用的石墨烯圖形化摻雜方法有如下幾種：（1）原子力顯微探針處理法，通過在原子力顯微鏡探針上施加特定極性的電壓，直接對大面積石墨烯進行納米及區域氫或氧摻雜，這種方法圖形化精度高，但是摻雜元素有限，大規模圖形化摻雜效率低。（2）直接生長法，通過調控化學氣相沉積參數，在金屬催化劑襯底上以多步生長方式得到區域摻雜的石墨烯，這種方法能夠得到高質量的摻雜石墨烯，但是需要借助光刻、離子刻蝕工藝才能應用于微納器件，工藝難度大，工藝過程中容易對石墨烯造成污染與損傷。（3）掩膜板法，先將大面積的石墨烯轉移到器件襯底上，再通過光刻、刻蝕的方法在薄膜上形成特定圖案的掩膜板，然后利用物理吸附或者化學處理來獲得圖形化摻雜的石墨烯，這種方法的光阻殘留物會影響石墨烯的優異性能，同時由于該方法涉及到掩膜板，工藝過程復雜且成本較高。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種石墨烯圖形化摻雜方法，不借助任何形式的掩膜板即可實現對單層石墨烯微區摻雜，不需要進行刻蝕，避免對石墨烯造成污染或損傷，可有效地將雜質原子摻入到石墨烯的骨架位置上，且不會對石墨烯的原本結構產生破壞，摻雜過程簡單易行，設備成本低廉，可實現大規模生產，利用該方法制備的摻雜石墨烯可廣泛應用于微電子元器件及傳感器等領域。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種石墨烯圖形化摻雜方法，其特征在于，包括如下步驟：（1）將氦氣與摻雜氣體混合作為工作氣體導入等離子體發生裝置中，施加高壓脈沖電壓，在工作氣體中放電產生室溫常壓等離子體，將形成的等離子體由引導管的噴嘴導出，形成微等離子體射流；（2）將所述噴嘴對準石墨烯薄膜的指定位置，用微等離子體射流對石墨烯薄膜進行輻照，將工作氣體的活性原子摻入到被輻照的區域，在二維平面內移動微等離子體射流或石墨烯薄膜，實現對石墨烯的圖形化摻雜。

優選地，所述引導管靠近噴嘴的一段套接在保護罩內，向所述保護罩內通入保護氣體，以最大程度地限制外界空氣對等離子體的影響。

優選地，所述保護氣體的流量為1L/min。

優選地，所述保護氣體為惰性氣體或氮氣。

優選地，所述摻雜氣體在工作氣體中所占的體積百分比k為0<k≤2%。

優選地，所述噴嘴的內徑D為1μm≤D≤1mm。

優選地，所述工作氣體的流量為5～50mL/min。

優選地，所述噴嘴與石墨烯薄膜表面的距離為1～50mm。

優選地，所述微等離子體射流或石墨烯薄膜的移動速率為0.5～10mm/min。

優選地，所述摻雜氣體為氮氣、氧氣、氫氣、氨氣、硫化氫或氯化氫。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：

1、利用室溫常壓等離子體對石墨烯進行摻雜，由于其產生的粒子具有較高的活性及較低的能量，可有效地將雜質原子摻入到石墨烯的骨架位置上，且不會對石墨烯的原本結構產生破壞。

2、摻雜過程簡單易行。僅需要將經過調制后的等離子體束在石墨烯薄膜表面移動輻照，如同寫字一般，即可實現區域性摻雜。

3、設備成本低廉，可實現大規模生產。本發明所涉及的方法為室溫常壓條件下的合成方法，無需任何特殊環境，即在空氣中可完成樣品處理，同時制備過程中的混合氣體可回收再次利用，大幅降低了成本。由于制備過程沒有空間上的限制，可一次性制備大量材料。

附圖說明

圖1是微等離子體射流產生裝置圖；

圖2是本發明實施例1得到的微區氮摻雜石墨烯薄膜摻雜區域的拉曼光譜；

圖3是本發明實施例1得到的微區氮摻雜石墨烯薄膜摻雜區域的X射線光電子能譜圖；

圖4是本發明實施例1得到的微區氮摻雜石墨烯薄膜摻雜區域的高分辨氮元素的X射線光電子能譜圖；

圖5是本發明實施例1得到的微區氮摻雜石墨烯薄膜的拉曼光譜成像圖；