[发明专利]一种一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制造领域，尤其涉及一种一维尺度受限的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(Graphene)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电子轨邀垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子问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200000cm²/V·s，实验测得迁移率也超过15000cm²/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。

石墨烯本身是零带隙材料，如果直接用其构筑场效应晶体管(FET)器件，门控效果极其有限，难以实现开关特性。目前的一种解决方案是，把石墨烯裁剪成在横向方向为有限尺寸的石墨烯纳米带结构，电子在横向上受限，石墨烯纳米带则成为典型的准一维系统，由于量子限域效应和边缘效应石墨烯的能隙被打开。据文献报道，锯齿状边缘的石墨烯纳米带为半金属，手扶椅状边缘的石墨烯纳米带可能为金属也可能为半导体，只有石墨烯宽度降低到接近10nm甚至10nm以下时才表现出显著的带隙，无论边缘的形状如何，其能带结构都展现为半导体性能。但，现有的制备方法存在制备复杂、宽度不易控制等问题。因此，如何高效、可控地制备宽度接近甚至小于10nm的石墨烯纳米带是当前该领域的一个充满挑战的重要研究课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米带的制备方法，用于解决现有技术中在石墨烯纳米带的制备技术中制备复杂、宽度不易控制等问题。

本发明提供一种石墨烯纳米带的制备方法，包括：提供过渡金属基底；在所述过渡金属基底表面涂布光刻胶，形成光刻胶层；通过曝光显影将定义图案转移至所述光刻胶层上，形成光刻胶图形；进行碳离子注入工艺，以所述光刻胶层为掩膜，在所述过渡金属基底内进行碳离子注入，形成碳离子注入区域；所述碳离子注入的注入角度是根据所需石墨烯宽度结合所述光刻胶层的掩膜厚度以及所述光刻胶图形的宽度计算得到的；去除所述光刻胶层；进行热退火处理，将碳原子从所述过渡金属基底的碳离子注入区域中析出重构，在所述过渡金属基底的表面形成宽度接近甚至小于10nm的一维尺度受限的石墨烯纳米带。

可选地，所述过渡金属基底中的金属包括Ni、Ru、Ir、Pt、Co及其合金中的任一者。

可选地，所述过渡金属基底作过表面平整化处理。

可选地，所述碳离子注入的注入角度为5度至45度。

可选地，所述碳离子的注入能量为10keV至200keV，注入剂量为1*10¹⁵/cm^-2至5*10¹⁶/cm^-2。

可选地，所述热退火处理包括：在在真空环境或惰性气氛保护下，将所述过渡金属基底加热到700℃至1200℃，保持5分钟至60分钟后冷却降温，将碳原子从所述过渡金属基底的碳离子注入区域中析出重构。

本发明技术方案主要是利用在过渡金属基底表面形成的光刻胶作为注入掩膜，并通过调整注入角度而将碳离子注入有针对性地注入至过渡金属基底的特定区域而形成碳离子注入区域，再利用热退火处理，将碳原子从碳离子注入区域析出重构，从而在过渡金属基底表面形成宽度接近甚至小于10nm的一维尺度受限的石墨烯纳米带。

另外，本发明提供的一种一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法，具有制备精确、制备工艺流程简单、产量高的优点。