[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

目前，以硅材料为主的半导体工业的发展越来越接近极限，人们迫切寻找能够替代硅的新材料。而两种材料成为候选：1）有机导体，2）碳纳米管。多年以来科学家们一直在寻找一种尺寸小，能耗少，频率高的晶体管。这就要求人们能够制备出一种原子尺寸厚度的薄膜，而如此薄的金属和半导体薄膜会出现不稳定的热力学性质。而石墨烯的问世有望解决这个问题。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。

石墨烯是一种由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，虽然是已知材料中最薄的一种，但却非常牢固坚硬，其硬度超过钻石；它拥有非常优异的电学性能，作为单质，在室温下传递电子的速度比已知任何导体都快；同时还是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。此外，石墨烯被分割时，其基本的物理性能并不改变，而且它的电学性能可能会得到很大改善。当硅无法再分割得更小时，比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律；另外，电子穿过石墨烯几乎没有受到任何阻力，所以产生的热量也非常少。研究人员甚至将其看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘，各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定，这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小，且电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)的性质和相对论性的中微子非常相似。另外，研究也发现，尽管只有单层原子厚度，石墨烯有相当的不透明度，可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

目前，石墨烯的制备方法主要有下面几种：机械剥离法、加热SiC法、石墨插层法、电弧放电法、化学气相沉积法、溶剂剥离法与溶剂热法等；上述不同方法在产物的组成、结构、性能、尺寸以及可重复性、成本等方面各有优势，但也存在不足。

另一方面，大面积高密度等离子体源的研制在国际上一直是前沿课题。形成等离子体的激励频率可以是直流、交流、射频、微波甚至是光频波段；其能量耦合方式也有多种，主要有电容耦合、电子回旋共振耦合、表面波耦合、电感耦合等。无论是使用何种频率、或何种能量耦合方式产生的等离子体都必须满足微电子器件加工工艺的基本要求：等离子体密度高、大面积均匀、可控性好等。在超大规模集成电路制造过程中，有近三分之一的工序是使用等离子体技术，可以说集成电路器件、微纳电子、光电子、通讯等高新技术产业发展的关键技术之一是等离子体微细加工技术的发展。常言道“一代应用、一代器件、一代技术、一代材料”，微纳电子器件呼唤新一代的等离子体技术，它需要人们研究新一代的大面积、高密度、均匀、可控性高的等离子体源并将之用于极大规模集成电路关键材料。

双频激发容性耦合等离子体源（dual frequency capacitively coupled plasma DF-CCP）是近年来发展起来的一种新型的等离子体源。其采用了一个高频电源和一个低频电源共同驱动等离子体，其中高频(HF)或甚高频(VHF)功率源控制等离子体的产生、低频(LF)功率源来调制到达被刻蚀薄膜表面的粒子能量。由于其采用了一个高频电源和一个低频电源共同驱动等离子体，可以实现相对独立的控制到达基片上离子的通量和能量，而且能够产生大面积均匀的等离子体并且设计简单。关于它的特性的研究是当前低温等离子体学术界的一个热点。为了实现等离子体密度和能量的独立控制，采用频率从13.56 MHz到500 MHz的各种高频(HF)或甚高频(VHF)功率源与频率从800 kHz到2 MHz的各种低频(LF)功率源合理组合，形成双频等离子体，控制反应等离子体中基团的形成，实现离子通量和能量的独立调控，改善了等离子体的可控性，拓宽了基片刻蚀的工艺窗口。然而，DF-CCP是一种中等密度的等离子体源。

综上所述，开发一种石墨烯的制备方法，以制备应用于大规模集成电路领域的大尺寸、高质量的石墨烯，具有积极的现实意义。

发明内容

本发明目的是提供一种石墨烯的制备方法。