[发明专利]一种制备石墨烯-氮化硼复合薄膜的方法

说明书

本发明提出了一种制备石墨烯‑氮化硼复合薄膜的方法，该方法采用分子束外延（MBE）技术得到氮化硼薄膜，然后利用化学气相沉积（CVD）技术在氮化硼表面沉积石墨烯薄膜。该方法可实现规模量产，而且工艺简单，无需多次转移。

技术领域

本发明涉及光电器件材料，特别是一种制备石墨烯-氮化硼复合薄膜的制备方法。

背景技术

石墨烯由于其超高的电子迁移率和良好的稳定性，使其在微电子领域具有巨大的应用潜力，比如用于制造超高速微型晶体管。影响石墨烯晶体管器件性能好坏的一个重要因素是支撑石墨烯的衬底材料，石墨烯的电子迁移率往往受到衬底材料的电荷、平整度和缺陷等因素的影响而降低。

六角氮化硼（h-BN）具有和石墨烯类似的原子结构，并且同样在大气下、液体中、和高温下稳定，具有很高的表面平整度，表面不具有悬挂键和剩余电荷。这些性质使得h-BN成为很好的石墨烯衬底材料，并且h-BN同石墨烯的结合还能有效的打开石墨烯的带隙，提高开关比。石墨烯与其姊妹材料单层六角氮化硼（h-BN）的复合可以解决石墨烯在高速器件中应用的许多问题。

目前制作晶体管等电子器件所使用的h-BN薄膜还主要是通过手工物理剥离的方式获得的，这种方法无法量产，并且很难保证产品质量的均一性，仅仅适合于实验室制备。化学气相沉积（CVD）是金属表面制备h-BN的一种新方法，不过该方法所制备的h-BN还很少被应用于电子器件的制作。目前，石墨烯同h-BN的复合还是通过简单的多次转移实现的，采用这种方法全程需要两次溶解金属衬底，如果在工业生产还会对环境造成更多的污染，同时在多次转移过程中会引入杂质，降低材料的质量和性能。

鉴于以上问题，本发明提出了一种制备石墨烯-氮化硼复合薄膜的方法，该方法采用分子束外延技术得到氮化硼薄膜，然后利用CVD技术在氮化硼表面沉积石墨烯薄膜。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种制备石墨烯-氮化硼复合薄膜的方法，该方法采用分子束外延技术得到氮化硼薄膜，然后利用CVD技术在氮化硼表面沉积石墨烯薄膜。具体技术方案如下：

（1）基底表面的清洁：每片基底清洁需要多次清洁循环，每个循环包括氩离子轰击、退火、氧气环境下加热、真空下快速退火。

（2）硼氮源通过一个蒸镀源连接到生长腔上。通过这个蒸镀源，平时将液态的环硼氮烷在低温下储存，低温是冷凝器获得。在需要蒸镀时，这个冷凝器关闭并且升到室温。往真空腔中通入一定量的环硼氮烷，当h-BN生长过程结束后关闭加热器，自然降温至室温，得到氮化硼薄膜。

（3）将生长有h-BN薄膜的基底移动到化学气相沉积区域，通入含碳气体，升温至反应温度，待石墨烯沉积完成后，迅速降温至室温，得到石墨烯-氮化硼复合薄膜。

具体实施例

本实施例中以Rh(111)作为反应基底，硼氮源为环硼氮烷，碳源为乙烯。

（1）基底表面的清洁：每片基底清洁需要多次清洁循环，每个循环包括氩离子轰击，在 2 ×10^-7 mbar 氧气环境下加热2 h、真空下快速退火到 1000 K。

（2）Rh（111）样品放置于样品台上进行如上所述的表面清洁。随后，往真空腔中通入环硼氮烷至1×10^-4mbar进行室温吸附，然后缓慢加热至1060K。生长过程结束后关闭加热器，传送样品至低温区实现快速降温，得到单层h-BN样品。

（3）将生长有h-BN薄膜的Rh（111）基底移动到化学气相沉积区域，通入乙烯气体，升温至1275K，反应15min，迅速降温至室温，得到石墨烯-氮化硼复合薄膜。