[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体领域，涉及一种石墨烯的制备方法，特别涉及一种采用化学气相沉积制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯，即石墨的单原子层，是碳原子按照sp²成键形成的以蜂窝状排列的二维结构。2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家使用微机械剥离的方法发现了石墨烯，并于2010 年获得了诺贝尔物理学奖。

自从石墨烯被发现以后，由于其在机械、电学、光学和化学都具有优异的性能，例如很高的电子迁移率、室温下表现出长程弹道输运性质、带隙可以调控等，使其拥有巨大的应用前景，从而学术界、工业界对其备受瞩目，引发了物理和材料科学等领域的研究热潮。石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景，有望广泛用于基于石墨烯的触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等领域。石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景，例如，基于大面积、层数可控的石墨烯薄膜的基础上的气体探测器，其巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感，即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。

但是，可控合成具有特定形貌的石墨烯材料问题仍旧没有得到解决。基于此，石墨烯的研究仍停留在基础研究领域，距离大规模的应用仍有一段距离。

目前石墨烯的制备方法主要有微机械剥离、SiC升华法、氧化石墨还原法和化学气相淀积。微机械剥离法可以制备高质量的石墨烯，但是目前此方法制备的石墨烯面积小于1 mm×1 mm，只能用于基础实验研究。SiC升华法制备的石墨烯受衬底的影响很大，层数不均一，无法进行衬底转移。氧化石墨还原法可以化学制备大量的石墨烯样品，在一定程度上满足工业应用要求，然而由于氧化剂的引入，破坏了石墨烯的共轭结构。尽管化学还原和高温热处理能够在一定程度上恢复石墨烯的共轭结构，然而石墨烯的固有电学性能大大降低。

化学气相沉积方法是目前制备高质量大面积石墨烯的重要方法，主要由于其具有低劳动强度、低成本、可规模化生产等特点。最近，人们发现石墨烯膜可以生长在铁、钴、镍、铜等金属薄膜上，并且易于衬底转移，开拓了高质量石墨烯在微电子领域的应用前景。尽管生长机理有所不同，但金属被认为在石墨烯的生长过程中是必不可少的催化剂。

由于金属的存在，石墨烯不能直接被用于石墨烯器件的组装。目前借助于聚合物例如聚甲基丙烯酸酯（PMMA)，聚二甲基硅氧烷（PDMS)等作为转移媒介，利用金属刻蚀剂刻蚀金属催化剂，实现了石墨烯从金属薄膜向石英基底（SiO₂）和带有二氧化硅涂层的硅片基底（S iO₂/Si)上的转移，从而进一步实现了高性能的石墨烯透明导电薄膜和场效应晶体管器件的组装。然而繁琐的转移过程易于造成聚合物杂质和金属杂质的引入，褶皱的形成以及石墨烯和转移基底之间较弱的粘附作用。尽管借助于较薄的金属催化剂实现了石墨烯在二氧化硅基底的直接组装，简化了制备工艺，然而上述转移缺点仍然很难被完全克服。同时，此种石墨烯薄膜厚度的可控性较差，镍金属上会长出厚度不均匀的多层膜，而铜上只能生长出单层薄膜和少量的双层薄膜。

因此如何实现层数可控的石墨烯直接合成在非金属材料上成为石墨烯领域中的研究热点。专利CN 102161482 A公开了一种在石英、硅或带有二氧化硅涂层的硅基底上采用化学气相沉积生长石墨烯的方法，其简化了石墨烯在金属基底上的制备工艺，同时和半导体工业相容。不过，一方面该专利中未涉及除含硅成分外的其他非金属材料作为基底材料（即催化衬底）的情况，例如，并未披露锗半导体材料作为生长石墨烯的基底材料的情况，另一方面，该专利中制备的石墨烯的拉曼（Raman）光谱中仍存在D-band（D峰），即仍存在质量缺陷。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯的制备方法，用于解决现有技术中无法直接在半导体材料上制备层数可控且无缺陷的高质量石墨烯的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种石墨烯的制备方法，所述制备方法至少包括：

1）提供一半导体基底；

2）在氢气和惰性气氛下，将所述半导体基底加热至810~910℃；

3）保持步骤2）中温度不变，在氢气和惰性气氛下向步骤2）的反应体系中通入碳源，采用化学气相沉积的方法在所述步骤2）处理完毕的半导体基底表面进行反应；

4）反应完毕后关闭所述碳源，并在氢气和惰性气氛下冷却至室温，完成在所述半导体基底表面制备石墨烯。

可选地，所述半导体基底包括锗或砷化镓。