[發(fā)明專利]一種調控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510503823.0
• 申請日: 2015-08-17
• 公開（公告）號: CN105088350A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發(fā)明（設計）人: 趙金花;秦希峰;王鳳翔;付剛
• 申請（專利權）人: 山東建筑大學
• 主分類號: C30B33/02
• 分類號: C30B33/02;C30B33/04
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 支文彬

技術領域

本發(fā)明涉及一種調控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法。

背景技術

石墨烯是單層碳原子薄膜，是典型的二維晶體材料。因為其優(yōu)越的物理及化學性能，其研究領域已經深入到了電子器件、傳感器、儲能、調制器等范圍。因為石墨烯在狄拉克點附近獨特的電子結構，其擁有許多特有的性質。有科學家大膽預測石墨烯終將取代硅成為電子信息領域的首選材料。但是其零電子帶隙的特點已經嚴重制約了其應用范圍，因此打開并調控石墨烯的電子帶隙，是決定其能否成功應用于電子信息領域的關鍵問題。目前來說關于調控石墨烯能隙的研究可以分為：納米條帶、雙層石墨烯、襯底效應、引入缺陷等類型。

受目前制備工藝的制約，納米條帶的尺寸不可隨意縮?。浑妶稣T導方式控制雙層石墨烯的電子帶隙對層數(shù)及石墨烯晶格完美性要求非常嚴苛；襯底效應產生的電子帶隙不具備可調性。綜上所述，前兩種電子帶隙的調控方式都受到了制備工藝的制約；襯底效應僅能引起確定大小的帶隙；相比之下通過缺陷結構調控電子帶隙不受制備工藝及襯底材料的限制，具有迷人的前景擁有重要的研究價值。缺陷結構可以調控石墨烯的電子帶隙，因此在石墨烯中引入可控的缺陷結構，是實現(xiàn)對石墨烯能隙調控優(yōu)選途徑。離子束的種類、能量、劑量等輻照條件可以精確控制，可控性及重復性是離子輻照方法的主要優(yōu)點。因此離子輻照方法可以克服其他方法可控性及重復性差的缺點，該方法是在石墨烯中產生缺陷結構的優(yōu)選方案。本發(fā)明選用離子輻照方法在石墨烯中產生可控的缺陷結構，進而調控石墨烯的電子帶隙。

狄增峰等人提交的申請?zhí)枮镃N201210174733的發(fā)明專利“一種基于離子注入技術打開石墨烯帶隙的方法”。該方法首先用離子注入技術轟擊石墨烯表面，使其表面產生缺陷（空位），然后選擇在合適的氣體氣氛中退火，完成N型或者P型摻雜，從而打開帶隙。該發(fā)明有如下缺點：注入離子種類限定為P離子，這種限制要求使用專用離子源，抬高注入成本；該發(fā)明專利目的為打開帶隙，沒有說明電子帶隙的可調控性，限制了其應用價值。

發(fā)明內容

本發(fā)明為了克服以上技術的不足，提供了一種可控性強以及重復性能優(yōu)良的調控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法。

本發(fā)明克服其技術問題所采用的技術方案是：

一種調控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法，依次包括如下步驟：

a)準備外延石墨烯樣品，通過SRIM軟件計算離子在SiC晶體中的損傷分布、電子能量損失和核能量損失分布，輻射離子種類為H或He中的一種輕離子以及原子量為6-40之間的中間質量離子，輕離子能量為25keV～500keV、劑量為，中間質量離子能量為500keV～6MeV、劑量為，通過第一性原理計算缺陷石墨烯的能帶結構；

b)用離子束對SiC基外延石墨烯樣品進行輻照，輻照離子穿過石墨烯進入SiC襯底并停留在襯底中，離子束中的輻照離子穿過石墨烯時產生電子能量沉積導致石墨烯晶格機構移位缺陷產生，部分輻照離子與碳原子核發(fā)生碰撞產生空位缺陷，輻照后形成帶有缺陷結構的外延石墨烯；

c)分別采用金相顯微鏡觀察石墨烯輻照前后的金相結構以及通過掃描電子顯微鏡觀察石墨烯輻照前后表面褶皺變化；

d)測試不同離子輻照的拉曼光譜，拉曼光譜中的G峰為碳sp2結構的特征峰，拉曼光譜中的D峰為缺陷峰，G峰強度為，其取值為，D峰強度為，其取值為，通過公式計算不同輻照條件下的石墨烯樣品的晶格缺陷量，進而得到缺陷結構隨輻照條件的變化關系；

e)用紅外光譜測試外延石墨烯中的帶隙。

上述步驟b）中的離子束種類為H或He的輕離子，其離子能量為25keV-500keV，離子劑量為。

上述步驟b）中的離子束種類為原子量為6-40之間的中間質量離子，其離子能量為500keV-6MeV，離子劑量為。

為了提高缺陷結構的穩(wěn)定性，執(zhí)行完步驟d)后對輻照后的石墨烯進行真空退火處理，得到穩(wěn)定的缺陷結構。

為了進一步實時觀察石墨烯在輻照過程中的形貌變化，在步驟c)中利用原子力顯微鏡觀察石墨烯輻照前后表面粗糙度的變化。

為了進一步實時觀察石墨烯在輻照過程中的形貌變化，在步驟c)中利用掃描探針顯微鏡得出石墨烯缺陷狀態(tài)的具體結構。

上述中間質量離子為B或C或N或O或Si或P或Ar中的一種。