[发明专利]一种硼掺杂半导体石墨的制备方法

说明书

本发明公开了一种硼掺杂半导体石墨的制备方法，本发明使石墨在2000‑3000℃的温度环境中进行热处理，石墨烯面内的碳原子活泼性大大增加，含硼的硼源在高温下其中硼元素在浓度梯度的驱动下扩散至石墨颗粒，且硼的原子直径和碳原子直径差别不大，在高温下硼原子将碳原子替代，实现了硼原子的替代性掺杂，得到硼元素原位替代掺杂的半导体石墨。

技术领域

本发明属于石墨改性技术领域，具体涉及一种硼掺杂半导体石墨的制备方法。

背景技术

2004年，Novoselov和Geim等人首次利用微机械剥离法获得了单层的石墨烯片层，并对其电学性能进行表征。石墨烯作为一种新型的二维材料，自被发现后便引起了各领域科研工作者的广泛关注。这种只由一层碳原子构成的二维平面晶体具有很多优良的性质，比如：极高的载流子迁移率与饱和漂移速度、亚微米级的弹道输运性能、优良的机械性能和极高的热导率，以及优异的光学性能等。随着硅集成电路尺寸已经达到7nm，量子隧穿效应限制，可能会导致摩尔定律失效。石墨烯的高载流子迁移率、极高的热导率、高的稳定性等使得其有望取代硅成为下一代集成电路材料。

然而在石墨烯的制备过程中，气相化学沉积、碳化硅热解、氧化还原、微机械剥离、化学合成等方法均存在层数控制困难、成本高、制品缺陷较多等问题，无法实现石墨烯在电子电路等领域中的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种硼掺杂半导体石墨的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种硼掺杂半导体石墨的制备方法，包括：将硼源与石墨颗粒混合后，于2000-3000℃恒温处理1-1000min，其过程中硼元素在石墨颗粒中浓度梯度的驱动下扩散至石墨颗粒，得到所述硼掺杂半导体石墨。

在本发明的一个优选实施方案中，还包括将所述硼掺杂半导体石墨进行超声或者微机械剥离。

在本发明的一个优选实施方案中，所述石墨颗粒为天然石墨颗粒、人造石墨颗粒或可在2000-3000℃下转化为石墨的碳源颗粒。

进一步优选的，所述人造石墨颗粒为高定向热解石墨颗粒。

在本发明的一个优选实施方案中，所述硼源包括硼、三氧化二硼、硼化镁、硼化钙、碳化硼、二硼化钛、二硼化锆、二硼化铪、二硼化钒、二硼化铊、二硼化铌、三硼化铬、硼化钼和硼化钨中的至少一种。

进一步优选的，所述硼源为硼、三氧化二硼和碳化硼中的至少一种。

在本发明的一个优选实施方案中，所述硼源中的硼元素与所述石墨颗粒的质量比为 0.2-50∶100。

在本发明的一个优选实施方案中，所述恒温处理的温度为2400-3000℃，时间为10-60min。

本发明的有益效果是：

1、本发明使石墨在2000-3000℃的温度环境中进行热处理，石墨烯面内的碳原子活泼性大大增加，含硼的硼源在高温下其中硼元素在浓度梯度的驱动下扩散至石墨颗粒，且硼的原子直径和碳原子直径差别不大，在高温下硼原子将碳原子替代，实现了硼原子的替代性掺杂，得到硼元素原位替代掺杂的半导体石墨，将其作为沟道材料进行场效应管的制备，利用半导体综合测试仪keithley 4200A SCS进行石墨场效应管的测试，该方法得到的硼掺杂半导体石墨为P型半导体石墨，是一种优异的石墨材料，可广泛应用电子原器件，集成电路，工业催化及航空航天等领域。

2、本发明较为简单，通过调节石墨化炉的温度、恒温时间与天然石墨颗粒与硼源的配比实现石墨中硼的含量的调节，容易实现连续制备，具有成本低廉，易于规模化等特点。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。