[發(fā)明專(zhuān)利]一種制備富勒烯納米結(jié)構(gòu)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410633383.6
• 申請(qǐng)日: 2014-11-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104401964A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 萬(wàn)能;萬(wàn)樹(shù)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B31/02
• 分類(lèi)號(hào): C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 南京瑞弘專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳琛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在材料表面特定位置高精度制備富勒烯納米結(jié)構(gòu)的方法，尤其涉及一種利用電子束輻照加工在材料表面形成富勒烯納米結(jié)構(gòu)的方法，屬于先進(jìn)半導(dǎo)體材料制備的技術(shù)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

富勒烯是碳元素的一種特殊同素異形體，其特殊的球狀形態(tài)使其具有高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以用于半導(dǎo)體器件的構(gòu)造，先進(jìn)功能材料添加劑，太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。狹義的富勒烯是指C60分子，其由60個(gè)碳原子構(gòu)成完好的球形，因此也被稱(chēng)為是足球烯。廣義的富勒烯包括由碳原子層構(gòu)成的各種球狀結(jié)構(gòu)，其中每一層碳原子層具有類(lèi)似于石墨烯的結(jié)構(gòu)。?

目前已經(jīng)有多種方法用于制備富勒烯材料，包括電弧放電法，也即使用石墨棒在低電壓大電流情況下進(jìn)行電弧燒蝕形成富勒烯結(jié)構(gòu)；物理/化學(xué)氣相淀積方法，也即使用含有碳源的揮發(fā)性前驅(qū)體材料，在特定的載氣下進(jìn)行富勒烯結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)；超聲化學(xué)法，也即使用超聲石墨片的方法，在超聲的激勵(lì)下縫合石墨烯片層，生長(zhǎng)富勒烯結(jié)構(gòu)。以上幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中物理/化學(xué)氣相淀積方法比較適合于大面積的制備富勒烯結(jié)構(gòu)，電弧放電法制備得到的富勒烯質(zhì)量較高，超聲化學(xué)法制備富勒烯成本較低。?

在通常的基于半導(dǎo)體電路的應(yīng)用中，富勒烯材料一般需要支撐在特定的襯底上形成富勒烯-襯底接觸以獲得特定的電學(xué)性能，比如半導(dǎo)體整流特性或者傳感響應(yīng)特性。此時(shí)需要富勒烯和襯底具有良好的接觸狀態(tài)，同時(shí)需要富勒烯能夠生長(zhǎng)在特定的位置。在有些應(yīng)用要求比較高的場(chǎng)合，還需要在特定的位置形成單個(gè)的富勒烯-襯底接觸。即在一定的范圍內(nèi)只含有單個(gè)的富勒烯。傳統(tǒng)的光刻工藝雖然可以使用刻蝕的方法去除多余的富勒烯，但是其成本較高，工藝復(fù)雜，并且有可能受到較大的污染。對(duì)于形成單個(gè)富勒烯-襯底接觸，傳統(tǒng)工藝方法也非常難以實(shí)現(xiàn)。?

因此，在未來(lái)的單分子電路中，當(dāng)需要構(gòu)建這種單個(gè)富勒烯-襯底接觸時(shí)，傳統(tǒng)的方法可能都會(huì)遇到很大的困難。為了有效的構(gòu)建這種結(jié)構(gòu)，需要尋找一種新的方法?

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種制備富勒烯納米結(jié)構(gòu)的方法，使用電子束輻照加工淀積在襯底材料表面的非晶碳薄層，促使其轉(zhuǎn)化成富勒烯材料的方法。通過(guò)一種全新的，表面吸附誘導(dǎo)的富勒烯生長(zhǎng)機(jī)制在襯底表面的指定位置制備不同層數(shù)的富勒烯材料。?

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種制備富勒烯納米結(jié)構(gòu)的方法，具體步驟如下：?

(1)在潔凈的襯底材料表面制備非晶碳層，碳層的厚度為2-6納米；?

(2)將制備有非晶碳層的襯底放入真空室，抽真空至體系真空度達(dá)到2*10^-3Pa以下；?

(3)開(kāi)啟電子槍?zhuān)瑢㈦娮邮鴧R聚至襯底表面，電子束的束流強(qiáng)度為10³-10⁵e*s^(-1)*nm^(-2)，經(jīng)過(guò)10-200分鐘的電子束輻照后即在電子束輻照點(diǎn)位置制備得到富勒烯材料。?

進(jìn)一步的，所述襯底材料為Ni,Au,Si,SiO₂,Al₂O₃,ZnO或者SiC。?

非晶碳薄層受到電子束的輻照后轉(zhuǎn)化為石墨烯小片結(jié)構(gòu)。這些小片結(jié)構(gòu)在電子束的進(jìn)一步輻照下會(huì)相互連接，形成層狀的碳層結(jié)構(gòu)，這種碳層結(jié)構(gòu)是富勒烯結(jié)構(gòu)的生成基礎(chǔ)單元。處于石墨烯片邊緣的碳原子具有未飽和鍵，容易與襯底材料的表面原子產(chǎn)生相互作用，發(fā)生鍵合。這一作用使得石墨烯片的邊緣傾向于以垂直于襯底表面的方式與襯底鍵合。與襯底鍵合后的石墨烯片層收到電子束的輻照后會(huì)逐漸完善結(jié)構(gòu)，形成帶缺口的富勒烯小球。隨著電子束輻照，小球的直徑變小，其缺口也最后消失，形成完整的富勒烯結(jié)構(gòu)?

本發(fā)明的有益效果：?

這一途徑基于一種全新的生長(zhǎng)機(jī)制制備富勒烯材料。非晶碳薄層受到電子束的輻照后轉(zhuǎn)化為石墨烯小片結(jié)構(gòu)，這些小片結(jié)構(gòu)隨后將其邊緣連接至襯底表面，伴隨著電子束輻照，石墨烯小片相互連接，最后石墨烯小片封閉形成球狀的富勒烯結(jié)構(gòu)。其優(yōu)勢(shì)如下：?

1.可以定點(diǎn)在特定位置制備單個(gè)的富勒烯顆粒；?

2.可以獲得不同層數(shù)的富勒烯材料；?

3.所獲得的富勒烯材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。?

附圖說(shuō)明

圖1：圖示使用非晶碳薄膜制備富勒烯結(jié)構(gòu)的過(guò)程原理圖。其中1為非晶薄膜，2為襯底，3為經(jīng)過(guò)電子束輻照后初步生成的石墨烯小片，4為邊緣與襯底垂直相鍵合的單層石墨烯片，5為開(kāi)口未封閉的單層富勒烯結(jié)構(gòu)，6為最終形成的單層富勒烯結(jié)構(gòu)。7為邊緣與襯底垂直相鍵合的多層石墨烯片，8為開(kāi)口未封閉的多層富勒烯結(jié)構(gòu)，9為最終形成的多層富勒烯結(jié)構(gòu)。?