[发明专利]一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法

说明书

本发明提供一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，所述方法包括，提供一衬底，于所述衬底上使用CVD工艺进行石墨烯生长，形成石墨烯层；于所述石墨烯层上形成一保护层，所述保护层完全覆盖所述石墨烯层；使用离子注入技术通过所述保护层向所述石墨烯层中注入掺杂元素；除去所述保护层，裸露出所述石墨烯层；使用CVD工艺对裸露出的所述石墨烯层进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯中由于离子注入引起的缺陷，进而形成掺杂石墨烯层。利用本发明的技术方案，可制备可控掺杂量的n型或p型的高质量石墨烯，可通过控制注入区域，制备图案化掺杂的石墨烯；本发明的技术方案可适用于使用CVD工艺在衬底X上生长的石墨烯的掺杂，应用范围广。

技术领域

本发明涉及石墨烯掺杂领域，特别是涉及一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种零带隙的半导体，其价带和导带在布里渊区内呈狄拉克锥形基础，并具有良好的导电率、极高的电子迁移率和独特的光学特性。这使得开发具有高性能石墨烯基的半导体功能器件成为了研究的热点，然而，本征石墨烯的零带隙特点限制了其在微电子领域的应用。因此，对于石墨烯能带的调控成了研究的重点。

掺杂是调控石墨烯能带结构的有效手段，石墨烯的掺杂一般有两种方法，一是吸附掺杂，二是晶格掺杂。对于吸附掺杂，是在石墨烯表面吸附掺杂量，由于掺杂物中电子的最高占据轨道能级和石墨烯的费米能级不同，从而产生电荷转移，从而得到调控石墨烯带隙的目的。如果石墨烯的费米能级较低，那么电荷就会向石墨烯转移，形成n型掺杂，石墨烯的费米能级升高；如果石墨烯的费米能级较低，那么电荷就会由石墨烯转移到掺杂物，形成p型掺杂，石墨烯费米能级降低。对于晶格掺杂，是在石墨烯中，用掺杂物原子取代石墨烯中的碳原子，与其他周围的碳原子成键，改变石墨烯的能带结构。一般情况，如果掺杂原子的价电子多于探原子的4个价电子，则会形成n型掺杂；如果掺杂原子的价电子少于碳源的4个价电子，则会形成p型掺杂。然而，目前掺杂石墨烯的制备面临着工艺复杂、掺杂浓度不可控、掺杂区域不可控、石墨烯质量较差等问题。

因此，开发一种工艺简单，掺杂剂量可控、掺杂区域可控的石墨烯掺杂方法，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，用于解决现有技术中石墨烯掺杂工艺复杂、掺杂浓度不可控、掺杂区域不可控、石墨烯质量较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用离子注入制备掺杂石墨烯的方法，所述方法包括：

S10、提供一衬底，于所述衬底上使用CVD工艺进行石墨烯生长，形成石墨烯层；

S20、于所述石墨烯层上形成一保护层，所述保护层完全覆盖所述石墨烯层；

S30、使用离子注入技术从所述保护层的上表面向所述石墨烯层中注入掺杂元素；

S40、除去所述保护层，裸露出所述石墨烯层；

S50、使用CVD工艺对裸露出的所述石墨烯层进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯中由于离子注入引起的晶格损伤，使掺杂原子移动到晶格点，将掺杂原子激活，进而形成掺杂石墨烯层。

在本发明的一个优选实施方案中，在步骤S50中还包括，在步骤S50中还包括，于惰性气氛下对裸露出的所述石墨烯层进行退火，接着使用CVD工艺对退火后的所述石墨烯进行石墨烯修复生长，以修复所述石墨烯层中由于离子注入引起的晶格损伤，使掺杂原子移动到晶格点，将掺杂原子激活，进而形成掺杂石墨烯层。

在本发明的一个具体实施方案中，所述退火温度为800-930℃。

在本发明的一个优选实施方案中，所述保护层的厚度为10-200nm，所述保护层的厚度由所述掺杂元素的注入能量决定，以确保所述石墨烯层的上表面处的掺杂元素浓度最高。