[發明專利]制造六方晶體結構的二維膜的方法

有效

• 申請號: 201880009436.3
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN110234800B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 布魯諾·吉瑟蘭;J-M·貝斯奧謝
• 申請（專利權）人: 索泰克公司
• 主分類號: H01L21/683
• 分類號: H01L21/683;C30B23/02;C30B23/04;C30B25/18;C30B29/02;C30B33/06
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李棟修;龐東成

本發明涉及一種具有六方晶體結構的第IV族材料(特別是石墨烯)的二維膜的制造方法，所述方法包括：?形成生長襯底(100)，包括將適合所述二維膜生長的單晶金屬膜(1)轉移到支持襯底(2)上，和?在所述襯底(100)的金屬膜上外延生長所述二維膜(3)。

技術領域

本發明涉及具有六方晶體結構的元素周期表第IV族材料(特別是石墨烯)的二維膜的生長，以及包含此類膜的結構體。

背景技術

石墨烯膜在各種技術中越來越引起興趣，特別是電子、光電子、能源、傳感器，生物技術、復合材料。石墨烯膜由以二維六方晶體結構的形式排列的碳原子組成。石墨烯的特別令人感興趣的性質有：電荷載流子的遷移率，膜平面中的導熱性，光學透明性，良好的機械性能如高內聚力或拉伸強度，柔韌性和生物相容性。

已經存在用于在支持襯底上生長單原子層或幾個原子層形式的石墨烯膜的方法。

第一種技術使用金屬箔，特別是銅或鎳作為支持襯底，并使用化學氣相沉積(CVD)工藝在所述支持襯底上生長石墨烯層。可選地，將由此形成的石墨烯膜然后可以轉移到另一載體上。

該技術的第一個缺點是石墨烯與銅或鎳支持襯底的熱膨脹系數(CTE)非常不同。

然而，由于石墨烯膜的生長在高溫下(通常在1000至1100℃的范圍內)進行，因此當石墨烯膜恢復到室溫時，這種熱膨脹系數的差異會在石墨烯膜中產生高應力。

由于石墨烯膜由不超過幾個原子層組成，這些應力在冷卻過程中引起石墨烯的變形和損壞。這些效應可能在石墨烯膜的后續加工步驟中加劇。

上述技術的第二個缺點是，為了完美地和可再現地控制沉積的石墨烯原子層的數量(特別是通過避免形成開始形成附加層的區域)，必須能夠保證碳原子的唯一來源來自沉積氣氛，而不是來自生長襯底本身。

然而，金屬箔傾向于吸附也有意地強烈存在于沉積氣氛中的碳原子，并且在生長或冷卻期間無意地釋放它們。在銅的情況下，這種吸附被認為是局部的，主要是通過晶界和銅箔中的其他缺陷，這些缺陷是多晶的。在鎳的情況下，認為它傾向于暫時將碳吸附在其全部厚度中，或者從暴露于碳氣氛的表面起吸附至少幾微米。然而，碳在鎳中的極限溶解度隨溫度降低，導致在石墨烯膜生長之后的冷卻過程中碳的釋放。

最后，為了精確且可再現地控制石墨烯的生長，例如通過僅呈現取向的晶粒(111)使銅箔良好紋理化和/或取向是不夠的，因為不同晶粒的排列(如馬賽克)會顯著影響石墨烯膜的性質。

第二種技術因此旨在用復合襯底代替上述金屬箔，該復合襯底由沉積在硅或藍寶石襯底上的銅層構成[Miller 2012][Miller 2013][Ismach 2010][Rahimi 2014][Tao2012]。

然而，即使當優化銅層的沉積以促進沿著基板的法線軸取向(111)時，所述層仍保持紋理化(多晶)，同時在平面中存在取向變型方式(雙晶)。類似地，在高溫(約950℃)下對銅層進行退火使得可以生長一些晶粒，但是它們的尺寸仍然保持遠低于一毫米。

沉積在這些復合襯底上的石墨烯膜具有與銅箔上獲得的石墨烯膜相同的品質。

為了克服銅的多晶性的缺點，通過在小的單晶銅晶體上沉積石墨烯而進行測試，該晶體自然沒有晶界[Gao 2010]。

然而，該第三種技術沒有解決熱膨脹系數差異的問題。此外，使用非常昂貴且太小的銅單晶不適合工業應用。最后，該技術沒有解決鎳的體積吸收問題。