[发明专利]一种大面积单晶石墨烯生长方法

说明书

本发明公开了一种大面积单晶石墨烯生长方法。该方法利用选区成核技术，减少衬底表面的成核密度，利用Cu面进行不同成核点晶向的控制，并通过衬底的表面钝化处理消除生长过程中的二次成核，最终利用碳源注入喷头实现碳源的定点输送，实现石墨烯的合并生长，获得大面积的单晶石墨烯。该方法可控性高，重复性较好，利于大面积单晶石墨烯的生长。

技术领域

本发明涉及单晶生长技术，尤其涉及一种大面积单晶石墨烯生长方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子组成的蜂巢状二维材料，其厚度大小为一个原子层。碳原子之间由s键连接，结合方式为sp2杂化，这些s键的存在赋予了石墨烯优异的力学性能和结构性能。石墨烯独特的能带结构、高电子迁移率和空穴迁移率是制备场效应晶体管的最佳材料。同时，石墨烯具有优异的导电性能和极好的透光性，这些独特的性能有望研发研究与应用热潮。未来，石墨烯在太阳能电池、传感器、纳米电子学、高性能微纳电子器件、复合材料、气体传感器以及能量存储等领域将大有作为。

目前研究人员采用CVD法已经能够获得数十英寸的石墨烯单层薄膜，但是这些薄膜往往是由具有不同晶向的自发成核生长的石墨烯晶粒合并生长获得的多晶膜，这些多晶膜中往往存在大量的晶界，而晶界处往往是缺陷富集处，导致薄膜质量严重下降，严重降低了石墨烯材料的迁移率。所以大面积连续石墨烯单晶材料的制备是石墨烯研究与应用进程中亟待解决的问题。

目前大尺寸单晶石墨烯难以获得的主要原因是多点成核过程中不同成核点所生长的石墨烯之间扭转角的不同造成的，这些扭转角的存在导致大尺寸石墨烯之间存在大量的晶界，进而导致无法获得大面积的单晶石墨烯材料。同时晶界处存在的大量缺陷、位错等将导致石墨烯相关性能的下降，限制其在相关领域的应用。而单点成核能够获得真正意义上的单晶石墨烯，但是在实际生长的过程中单点成核难以实现，因此很难通过单点成核的方式获得大尺寸单晶石墨烯。目前大面积单晶石墨烯的生长仍然是一个难题。

发明内容

本发明的目的是解决现有CVD法生长石墨烯单晶过程存在单晶尺寸过小的问题，以减少石墨烯终的晶界，提升石墨烯质量，提高石墨烯迁移率，特别提供一种大面积单晶石墨烯生长方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种大面积单晶石墨烯生长方法，其特征在于，所述方法按照以下步骤完成：

第一步：利用磁控溅射在图案化的Cu衬底表面进行C薄膜的选区溅射。

第二步：利用有机溶剂去除Cu表面的光刻胶，最后Cu衬底表面特定区域留有磁控溅射的C薄膜。

第三步：将图案化的衬底置于石墨烯生长系统中，在Ar与O₂气氛下将系统升温至300℃-500℃，对衬底进行表面钝化处理，以避免新的成核点的出现。

第四步：30min内将系统温度升至900℃-1000℃，通入50sccm的H₂，开始进行成核过程，成核过程时间10min。

第五步：利用与衬底图案对应的喷头进行定点碳源的输送，通入甲烷流量5sccm进行定点成核，以进行石墨烯的生长，生长时间30min-60min。

第六步：生长结束，降温，取样。

本发明的有益效果是：利用选区成核技术，减少衬底表面的成核密度，利用Cu(111)面进行不同成核点晶向的控制，并通过衬底的表面钝化处理消除生长过程中的二次成核，最终利用碳源注入喷头实现碳源的定点输送，实现石墨烯的合并生长，获得大面积的单晶石墨烯。该方法可控性高，重复性较好，利于大面积单晶石墨烯的生长。

实现了石墨烯的定点成核与选区生长，有效的实现了石墨烯成核密度的控制，并利用Cu(111)面对不同成核点处晶向进行了有效调控。该方法的应用能够实现大面积石墨烯单晶的可控生长。

附图说明