[發明專利]h-BN上石墨烯納米帶的制備方法

有效

• 申請號: 201510098675.9
• 申請日: 2015-03-05
• 公開（公告）號: CN104726845B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 王浩敏;賀立;陳令修;謝紅;王慧山;唐述杰;李蕾;張道禮;謝曉明;江綿恒
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/02
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙)31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明屬于低維材料和新材料領域，特別是涉及一種h-BN上石墨烯納米帶的制備方法。

背景技術

石墨烯由于具有優異的物理化學特性成為科學及產業界熱門研究課題，其優越的電子傳輸特性及可裁剪加工特性使得其有望成為新一代微納電子器件的重要基礎性材料。而當前石墨烯的性能由于受制于制備方法及手段，因而使其應用受限。目前制備石墨烯的常用方法有機械剝離法、化學氣相沉積法(CVD)，SiC外延生長法及石墨氧化還原法等，CVD方法由于成本低廉，易于大規模生產，與半導體工藝兼容而成為發展最快，最具應用前景的主流制備方法。而CVD方法采用在過渡金屬上催化生長石墨烯，并不能直接應用于電子器件的制備，需要將石墨烯轉移到介電層上才能有效的組裝器件。當前研究的石墨烯光電器件的介電層大多采用SiO₂/Si。研究人員指出由于SiO₂表面電荷聚集引起的石墨烯局域載流子摻雜，以及SiO₂-石墨烯界面上聲子對于石墨烯載流子的散射作用，使得石墨烯電子遷移率上限降為40000cm²/Vs，遠低于本征石墨烯的理論值，這大大降低了石墨烯的應用。另外石墨烯轉移過程中采用的濕法化學方法，不僅使得工藝過程變得復雜，同時不可避免的帶來石墨烯破損及污染，降低石墨烯的質量，從而不利于制備高性能電子器件。因而如何避免轉移并克服SiO₂/Si基底的不足是石墨烯光電器件的關鍵之一。

另外石墨烯特殊的晶體結構導致了其獨特的零能隙結構，其金屬特性并不能直接應用于電子器件制備。目前雖然能制備得到缺陷較少，結構完整的石墨烯，但得到的石墨烯帶隙幾乎為零或者非常小，很難滿足制備半導體功能器件的要求。然而石墨烯零帶隙結構限制了它在電子學領域中的應用。理論和實驗研究表明石墨烯納米帶具有的量子禁閉效應及邊緣效應使得石墨烯納米帶的帶隙具有寬度依賴效應。實驗結果確實地展示出，隨著納米帶寬度減小，能隙會增大。因此發展調控石墨烯電子結構和禁帶寬度技術具有重要意義。研究人員分別從物理和化學角度提出了改性石墨烯的制備方法，針對石墨烯幾何結構尺寸及物理結構采用刻蝕法、外加電場調節法；或者通過化學方法如邊緣修飾法或者化學慘雜等方法，均能不同程度的打開石墨烯帶隙。而這些調控石墨烯電子結構的方法均為先制備出完整結構石墨烯，再進行改性調控，容易受到工藝技術制約，摻雜濃度不可控等，從電子器件制作及商業化角度考慮，這些工藝繁瑣，且成本較高。

綜上所述，石墨烯發展面臨以下挑戰:石墨烯的零帶隙的電子結構限制了其在納電子器件及集成電路領域的應用；現有的石墨烯制備及轉移技術由于引入了缺陷及電荷雜質，使得石墨烯材料的電學性能遠遠低于其本征電學性能。因此本發明提出一種在h-BN上制備石墨烯納米帶的方法，以克服當前石墨烯發展遇到的瓶頸。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種h-BN上石墨烯納米帶的制備方法，用于解決現有技術中的種種問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種h-BN上石墨烯納米帶的制備方法，采用金屬催化刻蝕的方法在h-BN上獲得具有納米帶狀溝槽結構的h-BN溝槽模板，隨后通過控制CVD生長條件實現石墨烯在納米帶狀溝槽結構中的成核，生長成石墨烯納米帶。h-BN被稱為白石墨烯，是石墨烯的等電子體，具有與石墨烯相同的層狀六邊形平面結構，具有原子級平整表面，在(0001)面上沒有懸掛鍵，與石墨烯的晶格失配僅為1.8％，摻雜效應弱，能夠最大限度的保持石墨烯的本征物理性質，是最具有潛力的一種石墨烯器件絕緣基底。而直接在h-BN上生長石墨烯納米帶，通過控制h-BN金屬催化刻蝕條件及CVD反應條件，即可獲得形貌及結構可控生長的石墨烯納米帶，達到實現提高其電學性能的目的。

所述h-BN上石墨烯納米帶的制備方法包括步驟：

1)采用金屬催化刻蝕的方法于h-BN上形成具有納米帶狀溝槽結構的h-BN溝槽模板；

2)采用化學氣相沉積方法于所述h-BN溝槽模板中的生長石墨烯納米帶。

作為本發明的h-BN上石墨烯納米帶的制備方法的一種優選方案，步驟1)中，所述h-BN包括h-BN塊體單晶、機械剝離解理得到的h-BN薄膜以及化學氣相沉積方法獲得的h-BN薄膜中的一種。

進一步地，所述h-BN為通過機械剝離方法得到的具有原子級平整度的解理面的h-BN薄膜。

作為本發明的h-BN上石墨烯納米帶的制備方法的一種優選方案，步驟1)所述的金屬催化刻蝕的方法包括步驟：