[发明专利]一种单晶石墨烯pn结及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶石墨烯pn结及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子按照六方对称的蜂巢结构排布成的二维薄膜材料。由于石墨烯在电学、光学、热学以及力学等方面具有优异的性质，自其被发现以来就引起物理、化学、生物、材料等各领域的广泛关注，同时也受到工业界的广泛关注。对于电子传输而言，石墨烯的电子迁移率比传统的硅材料高两个数量级以上，而且对称的能带结构导致其具有匹配的电子和空穴迁移率，因而石墨烯被视为硅基电子学的有力竞争者。光学方面，石墨烯在从可见光至远红外范围内保持良好的透光性，吸光率仅为0.23％，结合其优异的导电性及柔韧性，石墨烯有望取代ITO等材料成为下一代的透明导电材料。

与硅基电子学类似，石墨烯在电子学以及光电子学领域的应用离不开有效地掺杂以及pn结的构筑，即根据需要将不同区域的石墨烯费米能级调节到合适的位置，继而实现特定的电子运算性能以及光电转换性能。由于石墨烯仅有一层碳原子构成，碳原子之间的共价键强度很大，传统的诸如离子注入等用于硅材料掺杂的方法不再适用。目前制备石墨烯单晶pn结的方法往往基于机械剥离得到的微米尺度石墨烯，不利于规模的扩大；此外，实现掺杂的方法一般也都局限在对外界环境的控制上，通过制备结构复杂的顶栅或使用稳定性较差的表面吸附来实现石墨烯的局域掺杂及pn结的构筑。

发明内容

本发明的目的是提供一种调制掺杂单晶石墨烯pn结及其制备方法。

本发明所提供的调制掺杂单晶石墨烯pn结是按照包括下述步骤的方法制备得到的：

1)将铜箔置于反应器中并在还原性气氛下进行退火，还原铜箔表面残留的氧化物并扩大铜晶畴尺寸；

2)在980-1020℃温度下向所述反应器中通入一定时间的碳源气体与还原性气体的混合气体，在铜箔表面生长得到亚单层的本征石墨烯孤岛；

3)向所述反应器中通入一定时间的惰性气体与还原性气体的混合气体，对前一步的生长气氛(即碳源气体)进行清理，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一定时间的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)根据需要重复上述步骤2)-4)的操作，得到单级或多级的石墨烯pn结；

6)迅速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。

其中，步骤1)中所述铜箔为商业化产品，铜箔纯度在99％以上，厚度可为20μm-100μm，使用前需经质量浓度5％的稀盐酸及去离子水对表面进行常温清洗。所述退火在980-1040℃之间进行，退火时间为20min-60min。退火后铜的晶畴可达数百微米。所用还原性气氛为氢气气氛，流量为2sccm-20sccm，体系压强在1Pa-50Pa之间。所述反应器可采用带有磁力控制装置的套管，通过将套管置于管式炉中实现加热。

步骤2)中所述碳源气体可为甲烷气体、乙烯或苯等。所用甲烷纯度不低于99.999％，甲烷的流量为1sccm-5sccm。所述还原性气体为氢气，其流量为2-20sccm。生长时间为10s-30s，体系压强为10Pa-20Pa。得到的本征石墨烯孤岛尺寸强烈受到生长条件影响，在2μm-20μm之间(由于孤岛不规则，可以看成是平均直径)。

步骤3)所用的惰性气体为氩气，流量为50sccm-200sccm；所用的还原性气体为氢气，流量为2-20sccm，该步骤处理时间为1-3min。

步骤4)中所述含氮碳源可为乙腈蒸汽或吡啶蒸汽。以乙腈为例，采用分析纯以上纯度商用作为生长氮掺杂石墨烯的含氮碳源，使用针阀对气流进行调节，体系中乙腈的分压为1-5Pa。所用的还原性气体为氢气，流量为2-20sccm。当生长时间小于30s时得到的是孤立的调制掺杂石墨烯pn结孤岛，大于3min后可得到连续的调制掺杂石墨烯pn结薄膜，当生长时间在30s-3min之间，得到的是准连续的薄膜，即有些地方连起来了，有些地方还有缝隙。

步骤6)中使用磁力套管将样品从高温区拖至室温区域，迅速终止生长的继续进行。

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(PMMA)转移到特定的基底表面。