[发明专利]一种异性堆叠石墨烯的制备方法

说明书

本发明公开了一种异性堆叠石墨烯的制备方法，包括如下步骤：准备绝缘或半导体的衬底；在衬底的表面制备层状分布的镍层和掺杂碳源层，并且使得镍层和掺杂碳源层直接接触；对掺杂碳源层进行加热，使得碳融入到镍层中，然后进行降温，使得镍层的一侧生长掺杂石墨烯，另一侧生长纯石墨烯；退火蒸发镍层，使得掺杂石墨烯和纯石墨烯呈层状分布且相互接触。在绝缘或半导体的衬底上生长层状的掺杂石墨烯和纯石墨烯，避免了后续的转移步骤，也就避免了损坏掺杂石墨烯和纯石墨烯。

【技术领域】

本发明涉及一种异性堆叠石墨烯的制备方法，属于石墨烯生产领域。

【背景技术】

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家使用微机械剥离的方法发现了石墨烯，并于2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯是碳原子通过sp²杂化方式按正六边形紧密排列的二维蜂窝状的碳质新材料，单层厚度仅有0.335nm。理论上，石墨烯呈现优异的电子稳定性、导热性、光性能、力学性能等。自石墨烯被发现以来，由于其优异的性能和巨大的市场应用前景引发了物理和材料科学等领域的研究热潮。石墨烯是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域广泛应用，是最有前景的先进新材料之一。

石墨烯的制备方法包括化学气相沉积法、氧化还原法、液相剥离法和机械剥离法等，但这些方法存在过程复杂、工艺条件难以控制、对衬底要求高、重复性较差、存在污染等缺点，不利于石墨烯的工业化生产。化学气相沉积法是最常规的使用方法之一，这种传统的制备方法不可避免的是后续的转移，转移过程中难以避免地会引入杂质缺陷和污染，造成破损断裂，降低石墨烯的稳定性、电学性能等，从而对后续的器件应用制备造成影响；同时对石墨烯层数和堆叠的方式缺乏精确控制，尤其是对外来杂原子掺杂到石墨烯的晶格结构中的控制更是及其困难。石墨烯在半导体器件中的应用，需要石墨烯的制备技术和半导体工艺相兼容，而且掺杂可以提高石墨烯的性能，这就对掺杂的制备技术要求更为苛刻。

因此，急需一种制备技术和半导体工艺相兼容，无转移，掺杂和层数可控的制备方法，实现石墨烯的产业化应用，为我国微电子技术进入非硅CMOS时代提供材料和技术支撑。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种层数可控的异性堆叠石墨烯的制备方法。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种异性堆叠石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

步骤①：准备绝缘或半导体的衬底；

步骤②：在衬底的表面制备层状分布的镍层和掺杂碳源层，并且使得镍层和掺杂碳源层直接接触；

步骤③：对掺杂碳源层进行加热退火，使得碳融入到镍层中，然后进行降温，使得镍层的一侧生长掺杂石墨烯，另一侧生长纯石墨烯；

步骤④：退火蒸发镍层，使得掺杂石墨烯和纯石墨烯呈层状分布且相互接触。

本发明的有益效果为：在绝缘或半导体的衬底上生长层状的掺杂石墨烯和纯石墨烯，避免了后续的转移步骤，也就避免了损坏掺杂石墨烯和纯石墨烯。同时利用镍层对碳原子的渗透作用，以及对其他非金属掺杂元素的阻隔作用，使得掺杂碳源层中一部分碳原子透过镍层到达了镍层的另一侧，以镍层为分隔，后续生长过程中掺杂石墨烯和纯石墨烯各自独立生长，而不会相互干扰，避免二者之间相互干扰，提高了工艺兼容性。

总结来说，本发明具有以下优点：

1、实现了免转移的制备，不会破坏石墨烯的优异性能，可直接将石墨烯应用于相关领域；

2、同时实现了掺杂和无掺杂石墨烯的可控制备；