[发明专利]石墨烯纳米带的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料的制备领域，尤其涉及一种石墨烯纳米带的制备方法。

背景技术

根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。利用尺寸不断减小的硅基半导体材料(硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽)来延长摩尔定律的发展道路已逐渐接近终点。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。

为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维六方蜂巢结构碳原子晶体，自从2004年被发现以来，在全世界引起了广泛的关注。

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp²杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键，剩余的一个p电子垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子间相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。实验证明石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，其电子的有效质量为零，并以10⁶m/s的恒定速率运动，行为与光子相似，由此，石墨的理论电子迁移率高达2×10⁵cm²/V·s，实验测得迁移率也超过1.5×10⁴cm²/V·s，是商业硅片中电子迁移率的10倍，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质。正是其优异的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材料。

石墨烯的电子性质与其尺寸和几何形状密切相关，只有石墨烯纳米带由于量子限域效应和边缘效应而拥有能隙，具有半导体性能。目前，获得石墨烯纳米带的方法主要有光刻蚀法、化学分散法和有机合成法。目前普遍使用的光刻蚀法能精确控制石墨烯薄膜的尺寸和形状，但产率很低并且石墨烯边缘粗糙；另一方面，采用化学分散法和有机合成法时，产率很高但可控性差。因此，需要提出一种可控性高且产率高的制备石墨烯纳米带的方法。

发明内容

鉴于上述在制备石墨烯纳米带的现有技术中存在的问题，本发明提供一种石墨烯纳米带的制备方法，以确保制备的石墨烯纳米带具有较高的可控性及产率。

为达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，其包括：在半导体衬底上生成过渡金属薄膜层；在所述过渡金属薄膜层上均匀涂覆光刻胶以形成光刻胶层，并将其烘干；藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影、烘干，以便在所述光刻胶层上形成与所述版图相对应的图形；注入碳离子，以使所述碳离子经由所述图形注入至所述过渡金属薄膜层中；去除所述光刻胶层，并清洗所述过渡金属薄膜层的表面；以及对所述过渡金属薄膜层进行退火处理，使碳原子从所述过渡金属薄膜层中析出重构，以便在所述金属薄膜层表面制备出具有特定形状和尺寸的石墨烯纳米带。

在本发明中优选的是，所述过渡金属薄膜层是采用过渡金属Ni、Ru、Ir、Pt、或者Co来形成的。

在本发明中优选的是，所述过渡金属薄膜层是采用合金来形成的，所述合金是由选自过渡金属Ni、Ru、Ir、Pt、以及Co所组成的群中的至少两种制备的。

在本发明中优选的是，所述过渡金属薄膜层是采用化学沉积法、溅射法、以及电子束蒸发法中一种方法形成。

在本发明中优选的是，所述碳离子是通过用碳离子束轰击所述过渡金属薄膜层被注入的。

在本发明中优选的是，所述过渡金属薄膜层的厚度为50纳米至300纳米。

在本发明中优选的是，所述退火处理是通过将所述过渡金属薄膜层在惰性气体的环境中加热至700℃至1200℃的温度范围内，并保持5分钟至60分钟后再冷却来完成的。

另外，在本发明中优选的是，所述退火处理是通过将所述过渡金属薄膜层在真空环境中加热至700℃至1200℃的温度范围内，并保持5分钟至60分钟后再冷却来完成的。