[发明专利]一种在非金属衬底上直接生长石墨烯的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种在非金属衬底上直接生长石墨烯的方法，属于半导体材料生长技术领域。

背景技术：

近年来，作为一种已知最薄及最坚硬的材料，石墨烯凭借着超高的电子迁移率、良好的导热性、高透光率等特点受到了各领域研究人员极大的关注。石墨烯是一种具有平面苯环结构的新型二维纳米材料，单层石墨烯厚度仅有0.335nm，约一个原子层厚度；由于其零带隙的能带结构，室温下电子迁移率能够达到光速的1/300，电阻率比铜或银更低；导热系数达到5300W/m·k且由于碳原子之间化学键的作用，石墨烯的机械强度比钢都要高100倍。正是由于石墨烯具有这些优良的性能，现在已经应用在晶体管、透明电极、显示屏、超级电容器、太阳能电池等领域并取得了不错的效果。随着研究的不断深入，石墨烯在各领域的应用具有光明的前景。

目前石墨烯的制备方法主要包括微机械剥离法、化学剥离法、SiC外延生长法以及CVD法。其中CVD法制备石墨烯简单易行，而且所得石墨烯质量高，面积大，目前已经成为制备高质量石墨烯的主要方法。然而这种方法存在一种显而易见的弊端，由于含碳气体的碳氢键只有在金属催化作用下才会断裂，因此CVD法只能将石墨烯生长在金属衬底上，有研究表明在非金属衬底上直接生长的石墨烯质量较差。如果将石墨烯从金属衬底上转移至非金属衬底加以利用就需要采取一些特殊方法，而转移过程不可避免要引入一些非理想因素，比如褶皱、破洞、杂质等，这些都会对器件的电学性能有影响，除此之外，转移的石墨烯往往也难以与非金属衬底形成良好的欧姆接触。为了克服这些在石墨烯转移过程中引入的非理想因素，许多研究人员直接在非金属衬底上进行石墨烯的CVD法生长，但研究表明这种方法并不理想，所生长的石墨烯质量很低甚至无法生长。

本发明通过先在非金属衬底表面溅射一层薄金属层，再直接在非金属衬底表面进行石墨烯的CVD法生长。这里的薄金属层既可以对石墨烯进行催化生长，又能够与非金属衬底形成欧姆接触。这种方法不但避免了任何由于转移而引入的非理想因素，而且与传统的直接生长方式相比，该方法在提高了石墨烯质量的基础上又获得了石墨烯与衬底之间较为理想的接触特性，从而同时解决了非金属衬底上生长石墨烯的两大问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种在非金属衬底上直接生长石墨烯的方法。传统上石墨烯需要在金属衬底上生长后再转移到非金属衬底上，而转移过程又会对石墨烯的质量产生影响，即便完整转移了石墨烯，其与衬底之间的接触特性也往往较差；另一方面，非金属衬底上直接利用CVD法生长石墨烯材料是相当困难的，所生长的石墨烯缺陷较多。本发明旨在克服这些缺点；

本发明提供的一种在非金属衬底上直接生长石墨烯的方法，该方法的过程如附图1所示：底部是非金属衬底材料100，衬底材料上溅射薄金属层101，石墨烯102直接生长在金属层表面；附图2显示了在GaN基LED外延片上直接生长石墨烯后样品的结构，从下到上依次包括有蓝宝石衬底201、GaN缓冲层202，n-GaN层203、InGaN层204、p-AlGaN层205、p-GaN层206、金属Ni层207、石墨烯薄膜208；附图3显示了使用本发明进行石墨烯生长后材料的拉曼测试光谱图；

本发明采用溅射方式在非金属衬底上沉积薄金属层，金属层厚度1-10nm；

本发明中衬底材料可以是能满足生长过程中工艺水平要求的任何半导体或绝缘材料；

本发明中薄金属层选用Cu、Ni或Pt材料进行石墨烯的生长，这些金属材料对石墨烯生长具有催化作用，可依据衬底进行选择；Cu、Ni或Pt材料可以选择蓝宝石、GaN、SiO₂作为衬底。

本发明中进行石墨烯生长时采用化学气相沉积法，碳源气体使用甲烷，还原性气体使用氢气，保护气体使用氩气；

本发明中化学气相沉积法生长石墨烯的温度为不造成衬底表面结构破坏并且不使薄金属层熔化的最高温度；

本发明提供了一种在非金属衬底上直接生长石墨烯的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

步骤1、对非金属衬底表面进行清洗，用氮气吹干；

步骤2、在非金属衬底表面溅射一层1-10nm纳米厚的薄金属层；

步骤3、将生长了薄金属层的衬底放入CVD反应室直接进行石墨烯的化学气相沉积生长。

本发明效果：