[发明专利]一种Si/SiC/石墨烯材料的制备方法

说明书

本发明提供一种Si/SiC/石墨烯材料的制备方法，该制备方法采用激光化学气相沉积法先在单晶硅基板上形成立方碳化硅薄膜，然后，再利用形成的立方碳化硅薄膜制备石墨烯，可以显著提高反应物活性与薄膜的生长速率，而且本发明仅用碳源气体参与反应，减少了采用含硅前体所带来的安全隐患，实现在Si基板上安全、高效生长外延SiC并原位生长石墨烯薄膜。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，特别涉及一种Si/SiC/石墨烯材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种新型二维材料，具有极高的断裂强度及导电性和导热性、润滑特性、光学薄度(使石墨烯适用于电子屏幕)以及优秀的功能性等等。目前形成石墨烯的方法有多种，但是其中石墨烯的微机械剥离法使用胶带等从块体石墨上剥离出石墨片，这种方法不仅耗时还局限于单个器件，同时所得的石墨烯层厚度无法控制；另一种石墨烯制备方法，在过渡金属箔(催化作用)上使用化学气相沉积生长高品质的石墨烯。但要将石墨烯制成功能器件，必须将石墨烯膜从金属箔转移到半导体衬底上，石墨烯膜在转移的过程中容易出现多种缺陷(破裂、折皱等)。在半导体衬底上直接生长石墨烯是制备高质量功能器件的唯一路线，但是半导体衬底不具备催化性很难在表面得到石墨烯。

碳化硅单晶沿c轴方向为C原子层与Si原子层的交替叠层，将Si原子层抽离就行到了石墨烯。同时，碳化硅是第三代半导体材料的代表。在碳化硅单晶上直接制备石墨烯材料将为下一代高质量功能器件提供基础材料。碳化硅具有多种同质多晶，在垂直于c轴方向上根据原子堆垛次序不同，可以将碳化硅分为200多种不同的多晶。其中，由于立方碳化硅(3C-SiC)熔点低于硅熔点(硅的熔点约为1420℃)，因此，3C-SiC是唯一能实现在单晶硅基板上生长且性能优异的碳化硅材料。相对在nH-SiC单晶衬底高昂的价格，在Si/3C-SiC上制备石墨烯是解决低成本、大面积制备的唯一途径。

化学气相沉积法(CVD)常用于生长Si/SiC/石墨烯材料工艺中，而传统的CVD法，如热CVD、金属氧化物CVD和低压CVD等，大多存在生长速率慢，容易引入杂质与存在污染等问题，并一般采用含硅前体在氢气气氛下参与反应。但含硅前体，如：SiH₄、SiCl₄等，和氢气均易燃易爆，有毒或具有腐蚀性，生产过程安全性差，需要防爆、防腐蚀、尾气处理等措施来保证生产安全。

因此，开发一种薄膜生长速率快、安全可靠的Si/SiC/石墨烯材料的制备方法，具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种Si/SiC/石墨烯材料的制备方法，以解决现有Si/SiC/石墨烯材料制备过程中薄膜生长速率慢、不安全的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种Si/SiC/石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将单晶硅基板预处理后放入冷壁式激光化学气相沉积反应器的基板座上，并抽真空至真空度为10Pa以下；

2)向所述冷壁式激光化学气相沉积反应器内通入适量稀释气体；

3)将含碳前驱体通入所述冷壁式激光化学气相沉积反应器内，并调节所述冷壁式激光化学气相沉积反应器内的真空度至10～10⁴Pa；

4)加载连续激光照射所述单晶硅基板的表面，待所述单晶硅基板的温度上升至立方碳化硅薄膜的设定制备温度，保持所述单晶硅基板温度稳定，并继续加载连续激光；

5)调节所述冷壁式激光化学气相沉积反应器内的真空度至10Pa以下，关闭所述连续激光，并停止通入所述含碳前驱体和所述稀释气体，然后，冷却至室温，即得生长在所述单晶硅基板上的立方碳化硅薄膜；