[發明專利]一種異性堆疊石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201811592551.6
• 申請日: 2018-12-25
• 公開（公告）號: CN109987597B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 陳達;李久榮;王剛;趙夢晗;胡緒瑞;朱偉
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 杭州五洲普華專利代理事務所(特殊普通合伙) 33260
• 代理人: 丁少華

本發明公開了一種異性堆疊石墨烯的制備方法，包括如下步驟：準備絕緣或半導體的襯底；在襯底的表面制備層狀分布的鎳層和摻雜碳源層，并且使得鎳層和摻雜碳源層直接接觸；對摻雜碳源層進行加熱，使得碳融入到鎳層中，然后進行降溫，使得鎳層的一側生長摻雜石墨烯，另一側生長純石墨烯；退火蒸發鎳層，使得摻雜石墨烯和純石墨烯呈層狀分布且相互接觸。在絕緣或半導體的襯底上生長層狀的摻雜石墨烯和純石墨烯，避免了后續的轉移步驟，也就避免了損壞摻雜石墨烯和純石墨烯。

【技術領域】

本發明涉及一種異性堆疊石墨烯的制備方法，屬于石墨烯生產領域。

【背景技術】

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家使用微機械剝離的方法發現了石墨烯，并于2010年獲得了諾貝爾物理學獎。石墨烯是碳原子通過sp²雜化方式按正六邊形緊密排列的二維蜂窩狀的碳質新材料，單層厚度僅有0.335nm。理論上，石墨烯呈現優異的電子穩定性、導熱性、光性能、力學性能等。自石墨烯被發現以來，由于其優異的性能和巨大的市場應用前景引發了物理和材料科學等領域的研究熱潮。石墨烯是目前最薄也是最堅硬的納米材料，同時具備透光性好、導熱系數高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等眾多普通材料不具備的性能，未來有望在電極、電池、晶體管、觸摸屏、太陽能、傳感器、超輕材料、醫療、海水淡化等眾多領域廣泛應用，是最有前景的先進新材料之一。

石墨烯的制備方法包括化學氣相沉積法、氧化還原法、液相剝離法和機械剝離法等，但這些方法存在過程復雜、工藝條件難以控制、對襯底要求高、重復性較差、存在污染等缺點，不利于石墨烯的工業化生產。化學氣相沉積法是最常規的使用方法之一，這種傳統的制備方法不可避免的是后續的轉移，轉移過程中難以避免地會引入雜質缺陷和污染，造成破損斷裂，降低石墨烯的穩定性、電學性能等，從而對后續的器件應用制備造成影響；同時對石墨烯層數和堆疊的方式缺乏精確控制，尤其是對外來雜原子摻雜到石墨烯的晶格結構中的控制更是及其困難。石墨烯在半導體器件中的應用，需要石墨烯的制備技術和半導體工藝相兼容，而且摻雜可以提高石墨烯的性能，這就對摻雜的制備技術要求更為苛刻。

因此，急需一種制備技術和半導體工藝相兼容，無轉移，摻雜和層數可控的制備方法，實現石墨烯的產業化應用，為我國微電子技術進入非硅CMOS時代提供材料和技術支撐。

【發明內容】

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足而提供一種層數可控的異性堆疊石墨烯的制備方法。

解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種異性堆疊石墨烯的制備方法，包括如下步驟：

步驟①：準備絕緣或半導體的襯底；

步驟②：在襯底的表面制備層狀分布的鎳層和摻雜碳源層，并且使得鎳層和摻雜碳源層直接接觸；

步驟③：對摻雜碳源層進行加熱退火，使得碳融入到鎳層中，然后進行降溫，使得鎳層的一側生長摻雜石墨烯，另一側生長純石墨烯；

步驟④：退火蒸發鎳層，使得摻雜石墨烯和純石墨烯呈層狀分布且相互接觸。

本發明的有益效果為：在絕緣或半導體的襯底上生長層狀的摻雜石墨烯和純石墨烯，避免了后續的轉移步驟，也就避免了損壞摻雜石墨烯和純石墨烯。同時利用鎳層對碳原子的滲透作用，以及對其他非金屬摻雜元素的阻隔作用，使得摻雜碳源層中一部分碳原子透過鎳層到達了鎳層的另一側，以鎳層為分隔，后續生長過程中摻雜石墨烯和純石墨烯各自獨立生長，而不會相互干擾，避免二者之間相互干擾，提高了工藝兼容性。

總結來說，本發明具有以下優點：

1、實現了免轉移的制備，不會破壞石墨烯的優異性能，可直接將石墨烯應用于相關領域；

2、同時實現了摻雜和無摻雜石墨烯的可控制備；