[发明专利]Ni金属膜覆盖Si3N4衬底生长浓度可控石墨烯材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制造方法技术领域。

背景技术

石墨烯是由碳原子构成的二维六边形结构，具有超高的电子迁移率和优良的导热性，可广泛应用于纳米电子器件、超高速计算机芯片、高效率能量储存、固态气敏传感器、场发射材料和微电子集成等多种领域。对石墨烯载流子浓度的调控，是实现石墨烯器件功能化的基础之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Ni金属膜覆盖Si₃N₄衬底生长浓度可控石墨烯材料的方法，所述方法制造的石墨烯材料具有衬底来源广泛，无需转移衬底，成本低，掺杂浓度可控的优点，有助于推动石墨烯材料物理特性的研究以及材料的应用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种Ni金属膜覆盖Si₃N₄衬底生长浓度可控石墨烯材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）选择基板衬底，在基板衬底的上表面外延生长Si₃N₄，形成由Si₃N₄/基板衬底构成的复合衬底；

2）对上述复合衬底进行清洗并烘干；

3）在烘干后的由Si₃N₄/基板衬底构成的复合衬底上表面生长Ni金属膜，形成由Ni/Si₃N₄/基板衬底构成的复合衬底；

4）将由Ni/Si₃N₄/基板衬底构成的复合衬底放入到高温合金炉中，在高温下Ni原子与Si₃N₄中Si原子形成Ni₂Si合金，Si₃N₄表面剩余N原子出现不饱和键，N原子重构形成N-N键，在Si₃N₄表面形成富N结构，Ni金属膜厚度与合金温度决定了Si₃N₄衬底表面不饱和N原子数量；

5）对合金后的复合衬底使用刻蚀剂去除表层的Ni₂Si合金，将表面富N的由Si₃N₄/基板衬底构成的复合衬底按照步骤2）进行处理；

6）将步骤5）处理后的复合衬底放入到CVD设备中，加热升温，通入氩气，氢气和气态碳源，在由Si₃N₄/基板衬底构成的复合衬底表面得到1-10层N型掺杂的片层石墨烯，形成浓度可控的石墨烯材料。

优选的，在步骤1）中，首先在基板衬底与Si₃N₄外延层之间，先外延一层插入层，形成由Si₃N₄/插入层/基板衬底构成的复合衬底，该插入层可以提高Si₃N₄外延层的平整度；插入层厚度在1nm到10000nm之间，可以为SiO₂、HfO₂、Y₂O₃或者Al₂O₃，然后依次按照步骤2）到步骤6）进行处理，最后在由Si₃N₄/插入层/基板衬底构成的复合衬底表面得到1-10层N型掺杂的片层石墨烯，形成浓度可控的石墨烯材料。

优选的，对最后形成的片层掺杂石墨烯进行图形化处理，形成纳米带，方块或者圆环图形。

优选的，步骤1）为，选择基板衬底，基板衬底可以为Si﹑GaAs﹑InP﹑GaN﹑SiC或者Sapphire材料，衬底类型可以为n型﹑p型或者半绝缘型，在基板衬底表面外延生长Si₃N₄，厚度在1nm到10000nm之间，形成由Si₃N₄/基板衬底构成的复合衬底。

优选的，步骤2）为，对由Si₃N₄/基板衬底构成的复合衬底使用去离子水冲洗，然后使用氮气枪吹干后放在防尘装置内，在烘箱中进行干燥。