[发明专利]一种直接在SiO2/Si衬底上制备石墨烯的方法

说明书

 

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种直接在SiO₂/Si衬底上制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的蜂窝状二维晶体，由于其各种突出的物理性质，在半导体材料各领域均具有良好的应用前景。从2004年，英国曼彻斯特大学的Andre Geim等人用简单的“机械剥离法”得到高质量的石墨烯，并观察到石墨烯极高的载流子迁移率，已经发展了各种石墨烯制备技术，如热解SiC、化学气相沉积、氧化还原法等。但目前仍然没有可大面积、高质量生长的石墨烯制备技术。

离子注入是硅基半导体材料与器件制备的一项成熟技术，完全可以应用于石墨烯制备。通过在Cu/SiO₂/Si或Ni/SiO₂/Si衬底上注入不同剂量的碳离子，并辅助以高温退火-冷却工艺，即可得到石墨烯薄膜层。与其他石墨烯制备技术相比，基于离子注入技术的石墨烯制备方法具有如下优点：（1）可根据团簇碳原子注入剂量控制石墨烯的生长层数，精度可达1%-2%；（2）目前大面积硅基制造技术晶圆尺寸可达12寸，离子注入均匀性高达1%-2%，因此可进行大面积可控层数的石墨烯薄膜制备。

一般来说，采用湿法刻蚀技术可将不同衬底上制备的石墨烯转移到SiO₂/Si衬底上。但由于转移过程复杂，往往会增大石墨烯的缺陷密度，导致石墨烯品质下降，影响石墨的应用，所以，直接在SiO₂/Si衬底上生长石墨烯是广泛关注的课题。

公告号为CN 102373433A的中国专利《一种用碳团簇离子束制备超薄碳膜的方法》和公开号为CN 102659098的中国专利《一种制备石墨烯的设备及方法》均采用了沉积和离子注入的方法制备石墨烯。上述两个专利主要是利用优化离子注入的设备，采用团簇碳离子束沉积和注入的方法制备石墨烯，但均是在Ni表面制备石墨烯，如果要把石墨烯膜层用于器件制备，仍需将石墨烯转移至绝缘衬底，无法直接在绝缘衬底表面形成石墨烯。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明基于离子注入，提供了一种直接在SiO₂/Si衬底上制备石墨烯的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种直接在SiO₂/Si衬底上制备石墨烯的方法，其特点是：利用离子注入方法在过渡金属/SiO₂/Si衬底的过渡金属膜层上制备石墨烯，所述的过渡金属膜层的厚度要保证可在过渡金属膜层上、下表面均获得石墨烯；然后，依次清除过渡金属膜层上表面的石墨烯、过渡金属膜层，即在SiO₂/Si衬底上得到石墨烯。

上述利用离子注入方法在过渡金属/SiO₂/Si衬底的过渡金属膜层上制备石墨烯，具体包括步骤：

1）采用负离子源产生团簇碳离子，并将团簇碳离子注入到过渡金属/SiO₂/Si衬底的过渡金属膜层上；

2）将注入团簇碳离子的过渡金属/SiO₂/Si衬底进行退火处理，即在过渡金属/SiO₂/Si衬底的过渡金属膜层上获得石墨烯。

上述清除过渡金属膜层上表面的石墨烯可采用氧等离子体刻蚀法。

上述清除过渡金属膜层可采用化学刻蚀法，具体可采用盐酸清除过渡金属膜层。

上述过渡金属膜层为铜膜层或镍膜层。

当过渡金属层为镍膜层时，镍膜层厚度为100~300nm，SiO₂层厚度为300nm。

当过渡金属层为铜膜层时，铜膜层厚度为50~100nm，SiO₂层厚度为300nm。

 

本发明采用离子注入方法将团簇碳离子注入至过渡金属/SiO₂/Si衬底的过渡金属膜层上，经退火处理后，在过渡金属膜层上、下表面均获得石墨烯；依次清除过渡金属膜层上表面的石墨烯、过渡金属膜层，即可直接在SiO₂/Si衬底表面得到石墨烯。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明方法可直接在SiO₂/Si衬底表面得到石墨烯，在将石墨烯应用于器件制备时，避免了将石墨烯转移至SiO₂/Si衬底的过程，从而可提高器件制备效率。