[发明专利]一种单晶石墨烯pn结及其制备方法

权利要求书

1.一种制备调制掺杂单晶石墨烯pn结的方法，包括下述步骤：

1)将铜箔置于反应器中并在还原性气氛下进行退火；

2)在980-1020℃温度下向所述反应器中通入碳源气体与还原性气体的混合气体，在步骤1)退火后的铜箔表面生长亚单层的本征石墨烯孤岛；

3)向所述反应器中通入惰性气体与还原性气体的混合气体，以除去步骤2)中通入的碳源气体；同时将体系温度降低至900-960℃；

4)维持体系温度在900-960℃，向所述反应器中通入含氮碳源与还原性气体的混合气体，在步骤2)所述本征石墨烯孤岛的间隙中，以已有的孤岛边缘为起点生长氮掺杂的石墨烯；

5)重复所述步骤2)-4)的操作至少0次，得到单级或多级的石墨烯pn结；

6)降低体系温度至室温使得生长不再进行，得到沉积在铜箔表面的调制掺杂单晶石墨烯pn结。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述铜箔的厚度为20μm-100μm，使用前经质量浓度5％的盐酸及去离子水对表面进行常温清洗；

所述退火的温度为980-1040℃，退火时间为20min-60min；所述还原性气氛为氢气气氛，流量为2sccm-20sccm，体系的压强为1Pa-50Pa。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤2)中所述碳源气体为甲烷气体、乙烯或苯，所述甲烷气体的纯度不低于99.999％，所述甲烷气体的流量为1sccm-5sccm；所述还原性气体为氢气，其流量为2-20sccm；体系的压强为10Pa-20Pa；所述生长的时间为10s-30s；所述本征石墨烯孤岛的尺寸在2μm-20μm之间。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述惰性气体为氩气，其流量为50sccm-200sccm；所述还原性气体为氢气，其流量为2-20sccm；通入惰性气体与还原性气体的混合气体的时间为1-3min。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：步骤4)中所述含氮碳源为乙腈蒸汽或吡啶蒸汽，体系中所述乙腈蒸汽或吡啶蒸汽的分压为1-5Pa；所述还原性气体为氢气，其流量为2-20sccm；

所述生长的时间小于30s，生长得到的是孤立的调制掺杂石墨烯孤岛；

所述生长时间大于3min，生长得到的是连续的调制掺杂石墨烯薄膜；

所述生长时间在30s-3min之间，生长得到的是准连续的调制掺杂石墨烯薄膜。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括将步骤6)得到的沉积在铜箔表面的调制掺杂石墨烯pn结使用聚甲基丙烯酸甲酯转移到任意目标基底表面的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤具体如下：将质量分数为2％-5％的聚甲基丙烯酸甲酯的乳酸乙酯溶液悬涂于调制掺杂石墨烯pn结表面，制得聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，所述悬涂速率为1000rpm-4000rpm，悬涂时间为30s-60s；随后在170℃下进行60s以上的烘烤；使用浓度不低于1M的三氯化铁酸性溶液或过硫酸盐溶液作为铜箔的刻蚀剂对铜进行刻蚀，刻蚀时间为5min-30min，得到由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的调制掺杂石墨烯pn结薄膜；将该薄膜置于目标基底上晾干并使用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯后即可得到转移后的调制掺杂石墨烯pn结薄膜。

8.权利要求1-7中任一项所述的方法制备得到的调制掺杂单晶石墨烯pn结。

9.权利要求8所述的调制掺杂单晶石墨烯pn结在制备光电检测器件中的应用。

10.权利要求8所述的调制掺杂单晶石墨烯pn结在制备逻辑器件中的应用。