[发明专利]基于Cu膜退火和氯气反应的SiC衬底上制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料及其制备方法，具体地说是基于Cu膜退火和氯气反应的SiC衬底上制备石墨烯的方法。

技术背景

随着2010年诺贝尔物理学奖得主的揭晓，石墨烯（Graphene）也成为大家讨论的焦点。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用普通胶带成功地从石墨中剥离出石墨烯，这种材料仅有一个碳原子厚，是目前已知的最薄的材料。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固而柔软；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序的领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破，他的问世引起了全世界的研究热潮。

石墨烯可用于生物、光学、电学和传感器等诸多领域。例如，石墨烯具有大的比表面积和生物相容性，可用于生物蛋白质或酶等生物大分子的固定及特定生物化学传感器的制作；由于石墨烯具有特殊的层状结构、超大的比表面积，因而可以提高电池的比容量，成为重要储能装置的电极材料；石墨烯具有良好的透光性，可以用于制作透明的导电膜并将其应用于太阳能电池中；某些气体分子的吸附能诱导石墨烯的电子结构发生变化，从而使其导电性能快速的发生很大的变化，可用于气体传感器的研究。

鉴于石墨烯具有诸多优于常规材料的性质，在理论基础研究和纳米电子学具有广阔的应用前景，因此制备大面积、高质量、低缺陷的石墨烯是一项亟待解决的首要问题。目前，石墨烯的制备方法有很多种，但主要有以下三种：

1.微机械剥离石墨法：微机械剥离石墨法主要使用微机械外力从石墨晶体表面剥离出石墨烯片层结构。因为石墨晶体是片层结构，各层之间以范德瓦尔斯力微弱的结合。范德瓦尔斯力属于分子力，其强度量级约为300nN/μm²，互作用能量约为2eV/nm²，远远小于层内的C-C共价键的结合强度，因此可以通过施加轻微的外力，把石墨烯从石墨晶体中撕扯下来，或者通过石墨晶体与其他固体表面磨擦，分离出石墨烯。该方法具有成本低，样品质量高，且片层数可控的优点，缺点是很难精确控制大小，重复性较差，产量低，效率低，难以实现石墨烯的大面积和规模化制备，且耗费时间较长，尺寸仅0.1mm²左右，仅限于作为实验室的基础理论研究方面的应用。

2.金属衬底的化学气相沉积法：该方法制备石墨烯材料的机理是，在约800～1200℃的高温气态条件下，经过具有催化活性的过渡金属表面时，气态碳氢化合物等在金属表面脱氢，剩余游离态的碳原子吸附在金属表面，冷却时以sp²键合形成石墨烯结构。该方法是近年来制备大面积、高质量石墨烯比较有效的方法之一，并且可以与现有的半导体制造工艺兼容。但是，使用化学气相淀积法制备石墨烯存在工艺复杂、成本较高精确控制较差且重复性差等缺点，很难做到无损转移，石墨烯难以与衬底完美兼容和匹配；同时也很难控制样品的二维平整性，会损失某些性质，因而制约了这种方法大规模应用到生产上的潜力。

3.氧化石墨还原法：氧化石墨还原法是在一定的化学条件下，利用氧化反应，将环氧基、羟基、羰基和羧基等亲水性基团引入石墨结构中，得到氧化石墨，再利用还原剂还原或热处理等方法，还原氧化石墨获得石墨烯的方法。该方法包括三个过程：氧化、剥离和还原，特点是反应条件温和，可控性强。由于氧化石墨是含有丰富含氧官能团的石墨烯衍生物，可通过化学氧化剥离廉价然而，由于含氧基团的引入，破坏了石墨的共轭结构，大大降低了导电性，并且在还原时共轭结构很难完全恢复，因此如何选择适宜的反应条件和还原剂，最大程度降低氧化造成的缺陷，恢复石墨烯的共轭结构是这种方法亟待解决的问题的石墨获得。

4.在碳化硅衬底上外延生长石墨烯：该方法的核心是在对SiC衬底完成表面预处理后，利用Si具有比C更高的饱和蒸汽压的性质，在大于1100℃的高温和小于10^-6Pa超高真空条件下，Si原子率先从衬底表面升华，剩余的C原子重构成石墨烯层。外延生长法制备的石墨烯表现出较高的载流子迁移率等特性，因而表现出杰出的电学性质，但由于SiC晶体表面结构较为复杂，难以获得大面积、厚度均匀的石墨烯。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于Cu膜退火和氯气反应的SiC衬底上制备石墨烯的方法，以解决现有技术制备的石墨烯面积小，不能用于规模化生产，层数不均匀，缺陷多，载流子迁移率不稳定的问题，从而提高石墨烯表面光滑度和连续性、降低孔隙率。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：