一種在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法與流程
2023-11-11 19:24:22
本發明涉及一種石墨烯的製備方法，特別是涉及一種在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法。
背景技術：
石墨烯是第一個被成功製備出的穩定二維晶體,被認為是構成其它碳的同素異形體的基本材料。石墨烯超越石墨和碳納米管的優異性質引起了在納米力學,納米電子學和納米光子學等方面大量的探索熱潮。因此自2004年發現石墨烯以來,對石墨烯合成方法的研究從未間斷，不同層數的石墨烯具備不同的性質，例如單層石墨烯具有高透光率、高導電性等，雙層石墨烯在磁場作用下可以打開帶隙。
當前石墨烯的合成面臨的主要問題是對石墨烯的層數可控和直接在絕緣襯底上製備。預先將碳離子注入到鎳—銅層狀結構襯底中進行退火，通過對碳離子注入劑量的精確控制可以成功的在鎳銅合金襯底上得到不同層數的石墨烯。然而，基於上述方法雖然能獲得不同層數的石墨烯，但是，所獲得的石墨烯是生長於鎳銅合金表面，在實際應用中，所得到的石墨烯需要轉移到絕緣襯底上才能實現進一步的應用，，在多層石墨烯轉移的過程，不可避免地引入缺陷、雜質、褶皺和裂縫，從而可能降低石墨烯器件的性能。
鑑於以上所述，如何能實現一種在絕緣襯底上直接獲得可控層數的石墨烯的方法依舊是一個極大的挑戰。
技術實現要素：
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法，用於解決現有技術中難以在絕緣襯底上直接製備可控層數的石墨烯的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法，所述方法包括步驟：步驟1)，提供一絕緣襯底，於所述絕緣襯底上形成第一金屬層；步驟2)，於所述第一金屬層中注入碳離子；步驟3)，於所述第一金屬層表面形成第二金屬層，所述第一金屬與第二金屬能在高溫下互溶；步驟4)，進行退火工藝使所述第一金屬層與所述第二金屬層互溶形成合金，並使得所述碳離子從所述第一金屬層中被推出至所述絕緣襯底表面，形成石墨烯層；步驟5)，去除所述合金，以獲得層數可控的絕緣體上石 墨烯。
作為本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法的一種優選方案，所述第二金屬的碳離子溶解度小於所述第一金屬層的碳離子溶解度。
作為本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法的一種優選方案，通過控制所述碳離子的注入劑量控制所述石墨烯的層數。
作為本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法的一種優選方案，所述第一金屬層為鎳層，第二金屬層為銅層。
優選地，所述銅層的厚度大於所述鎳層的厚度。
優選地，所述鎳層的厚度範圍為100～500nm。
優選地，所述銅層的厚度範圍為1～10μm。
優選地，所述退火工藝的溫度範圍為700～1000℃。
優選地，所述退火工藝的時間範圍為5～30min。
優選地，每增加一層石墨烯所對應增加的碳離子的注入劑量範圍為3.5×1015～4×1015atoms/cm2。
作為本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法的一種優選方案，步驟1)中，採用電子束蒸發或磁控濺射的方法於所述絕緣襯底上形成第一金屬層。
作為本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法的一種優選方案，步驟3)中，採用電子束蒸發、磁控濺射或電鍍的方法於所述第一金屬層表面形成所述第二金屬層。
作為本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法的一種優選方案，步驟5)中，採用膠帶粘貼及撕除的方法去除所述合金，或者採用溼法腐蝕的方法去除所述合金。
作為本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法的一種優選方案，所述絕緣襯底包括表面具有氧化矽的矽襯底、藍寶石襯底以及石英玻璃襯底中的一種。
如上所述，本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法，具有以下有益效果：
1)本發明設計巧妙，碳原子基本不損失，因此可以通過離子注入的劑量精確控制石墨烯的層數；
2)本發明可以在不同的絕緣襯底上直接獲得大面積層數可控的高質量連續石墨烯，不需要進一步轉移，避免了石墨烯在轉移過程中引入缺陷、雜質、褶皺和裂縫的缺陷，從而大大提高了石墨烯器件的性能；
3)本發明可以避免使用氫氣、甲烷等危險氣體；
4)本發明高溫合成時間極短(5分鐘～30分鐘)，可以極大的提高製備效率；
5)本發明為工業化製備絕緣體上高質量石墨烯以及石墨烯應用提供了有效可行地途徑。
附圖說明
圖1～圖6顯示為本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法各步驟所呈現的結構示意圖。
圖7～圖9分別顯示為採用本發明的在絕緣襯底上直接製備層數可控石墨烯的方法所製備的單層石墨烯、雙層石墨烯以及三層石墨烯的拉曼光譜圖。
元件標號說明
101絕緣襯底
102第一金屬層
103第二金屬層
104合金
105石墨烯
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖1～圖9。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖示中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
如圖1～圖9所示，本實施例提供一種在絕緣襯底101上直接製備層數可控石墨烯105的方法，所述方法包括步驟：
如圖1～圖2所示，首先進行步驟1)，提供一絕緣襯底101，於所述絕緣襯底101上形成第一金屬層102。
作為示例，所述絕緣襯底101包括表面具有氧化矽的矽襯底、藍寶石襯底以及石英玻璃襯底中的一種。在本實施例中，所述絕緣襯底101為表面具有氧化矽的矽襯底，選擇該襯底最後形成的結構為矽襯底-絕緣層-石墨烯105頂層的絕緣體上石墨烯105結構，該結構可以替代傳統soi襯底，並發揮石墨烯105的各項優異性能，符合現有半導體製造工藝需求。
作為示例，採用電子束蒸發或磁控濺射的方法於所述絕緣襯底101上形成第一金屬層102。在本實施例中，採用磁控濺射的方法於所述絕緣襯底101上形成第一金屬層102，且所述第一金屬層102選用為鎳。
作為示例，所述鎳層的厚度範圍為100～500nm。在本實施例中，所述鎳層的厚度為300nm。
如圖3所示，然後進行步驟2)，於所述第一金屬層102中注入碳離子。
作為示例，本發明可以通過控制所述碳離子的注入劑量來控制所述石墨烯105的層數。具體地，以第一金屬層102選用鎳，第二金屬層103選用銅為例，其碳離子注入劑量和最終獲得的石墨烯105的層數的關係如下表所示：
由上表可知，石墨烯105的層數基本與碳離子的注入劑量呈比例關係，因此，僅需通過控制碳離子的注入劑量便可非常容易的控制最終獲得的石墨烯105的層數。
作為示例，每增加一層石墨烯105所對應增加的碳離子的注入劑量範圍為3.5×1015～4×1015atoms/cm2。在本實施例中，每增加一層石墨烯105所對應增加的碳離子的注入劑量範圍為3.8×10158atoms/cm2。
如圖4所述，接著進行步驟3)，於所述第一金屬層102表面形成第二金屬層103，所述第一金屬與第二金屬能在高溫下互溶。
作為示例，所述第二金屬的碳離子溶解度小於所述第一金屬層102的碳離子溶解度。優選地，所述第二金屬的碳離子溶解度選擇為越低越好，更優選的，所述第二金屬的碳離子溶解度選擇為零或者接近零，並且，所述第二金屬及第一金屬互溶所形成的合金104的碳離子溶解度也優選為越低越好，以保證碳離子形成石墨烯105的轉化率。
作為示例，採用電子束蒸發、磁控濺射或電鍍的方法於所述第一金屬層102表面形成所述第二金屬層103。在本實施例中，採用電鍍的方法於所述第一金屬層102表面形成所述第二金屬層103，且所述第二金屬層103選用為銅，銅的碳溶解度非常低，可以使得金屬互溶的過程中，碳原子基本不損失。
作為示例，所述銅層的厚度大於所述鎳層的厚度，以保證後續互溶過程中使碳離子儘量多的被推出至絕緣襯底101表面。
作為示例，所述銅層的厚度範圍為1～10μm。在本實施例中，所述銅層的厚度為5μm。
如圖5所示，然後進行步驟4)，進行退火工藝使所述第一金屬層102與所述第二金屬 層103互溶形成合金104，並使得所述碳離子從所述第一金屬層102中被推出至所述絕緣襯底101表面，形成石墨烯105層；
作為示例，所述退火工藝的溫度範圍為700～1000℃。
作為示例，所述退火工藝的時間範圍為5～30min。本發明高溫合成時間極短(5分鐘～30分鐘)，可以極大的提高製備效率。
具體地，在銅鎳互溶的過程中，鎳原子往上移動，銅原子往下移動，由於銅的碳溶解度非常低，因此大量的銅會將碳不斷地往下推，最終從鎳中推出，在絕緣襯底和鎳銅合金的界面處形成石墨烯。
如圖6所示，最後進行步驟5)，去除所述合金104，以獲得層數可控的絕緣體上石墨烯105。
作為示例，可以採用膠帶粘貼及撕除的方法去除所述合金104，或者採用溼法腐蝕的方法去除所述合金104。在本實施例中，採用膠帶粘貼及撕除的方法去除所述合金104，該方法具有效率高，不需要化學腐蝕，可以避免石墨烯105損傷的優點。
圖7～圖9分別顯示為單層石墨烯105、雙層石墨烯105以及三層石墨烯105的拉曼光譜圖，由圖7～圖9可知，採用本發明的方法可以獲得高質量的層數可控的絕緣體上石墨烯105。
如上所述，本發明的在絕緣襯底101上直接製備層數可控石墨烯105的方法，具有以下有益效果：
1)本發明設計巧妙，碳原子基本不損失，因此可以通過離子注入的劑量精確控制石墨烯105的層數；
2)本發明可以在不同的絕緣襯底上直接獲得大面積層數可控的高質量連續石墨烯，不需要進一步轉移，避免了石墨烯在轉移過程中引入缺陷、雜質、褶皺和裂縫的缺陷，從而大大提高了石墨烯器件的性能；
3)本發明可以避免使用氫氣、甲烷等危險氣體；
4)本發明高溫合成時間極短(5分鐘～30分鐘)，可以極大的提高製備效率。；
5)本發明為工業化製備絕緣體上高質量石墨烯以及石墨烯應用提供了有效可行地途徑。
所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。