[發明專利]一種水基ALD誘使的可逆N型石墨烯制備方法

有效

• 申請號: 201510599025.2
• 申請日: 2015-09-18
• 公開（公告）號: CN105129788B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 程新紅;鄭理;王中健;曹鐸;王謙;沈玲燕;張棟梁;俞躍輝
• 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: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 唐棉棉

技術領域

本發明屬于石墨烯的制造領域，涉及一種可逆N型石墨烯的制備方法，特別是涉及一種水基ALD誘使的可逆N型石墨烯制備方法。

背景技術

石墨烯(Graphene)是一種碳原子以sp²雜化軌道組成六角形，呈蜂巢晶格排列的單層二維晶體。2004年，Novoselov和Geim的團隊用微機械剝離法制備出室溫下可以穩定存在的石墨烯,掀起了石墨烯研究的熱潮。近年來,石墨烯的材料制備、轉移、表征以及在半導體，化學等功能器件上的應用的一系列研究相繼展開，進展迅速。由于石墨烯獨特的零帶隙能帶結構，室溫下超高的電子遷移率(理論上可達200,000cm²·V^-1·s^-1)，近彈道傳輸的電子性質(電子的平均自由程達亞微米量級)，高導熱性等特點，從晶體管到化學傳感器，再到納米機電器件等領域有著很大的應用潛力。

為了進一步拓寬石墨烯的應用，需對石墨烯進行有效摻雜。石墨烯在曝露于空氣中后，由于會自吸附一些氣體分子，如H₂O/O₂分子對等，導致其通常呈現出P型摻雜狀態，因此，如何制備N型石墨烯是研究的難點和熱點。目前存在的N型摻雜方式一般有三種：一是通過等離子體如NH₃，H₂等對石墨烯進行表面處理；二是通過離子注入等方式將石墨烯中的部分C原子替換成B等其它原子；三是在石墨烯表面旋涂一層有機物，基于電荷轉移摻雜方式對石墨烯形成N摻。等離子體處理和原子替換這兩種方式均對石墨烯結構造成破壞，導致其遷移率顯著下降。而電荷轉移摻雜雖不會破壞石墨烯結構，但有機物的引入會污染樣品或設備，且不利于硅基集成。

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水基ALD誘使的可逆N型石墨烯制備方法，用于解決現有技術中制備N型石墨烯的方法會破壞石墨烯晶體結構、硅基集成難的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種水基ALD誘使的可逆N型石墨烯制備方法，所述制備方法包括步驟：

1)提供一襯底，在所述襯底表面形成石墨烯層；

2)將生長有所述石墨烯層的襯底置于ALD腔體中，并將所述ALD腔體溫度升至設定值，并通入至少一個循環的去離子水，提高吸附在所述石墨烯層表面的H₂O/O₂分子對中H₂O的濃度，從而使H₂O/O₂分子對中O₂的濃度相對降低，形成N型石墨烯層。

可選地，所述步驟1)中，形成于所述襯底表面的石墨烯層，暴露在空氣中時，表面物理吸附H₂O/O₂分子對使所述石墨烯層轉變為P型石墨烯層。

可選地，以步驟2)中形成的所述N型石墨烯層表面的水分子作為成核點，在所述N型石墨烯層表面生長高k介質層，作為隔離層。

可選地，所述高k介質層為Al₂O₃或者HfO₂。

可選地，對所述步驟2)中的N型石墨烯層進行高溫熱退火處理，所述N型石墨烯層可逆轉變為P型石墨烯層。

可選地，所述高溫熱退火處理包括：在真空環境或惰性氣氛中，在400℃～600℃溫度下，保持0.5～3分鐘后冷卻降溫。

可選地，通入1～5個循環的所述去離子水。

可選地，所述襯底為半導體襯底、絕緣襯底或者柔性襯底。

可選地，所述半導體襯底為Si、Ge或GaN中的一種，所述絕緣襯底為SiO₂、Al₂O₃或HfO₂中的一種，所述柔性襯底為聚對苯二甲酸乙二醇酯。

可選地，所述步驟2)中，所述設定值的范圍為80～130℃。