專(zhuān)利名稱(chēng)：基于Ni膜退火和Cl₂反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體薄膜材料及其制備方法，具體地說(shuō)是基于Ni膜退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí),英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈 杰姆和克斯特亞 諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶， 就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。目前的制備方法主要有兩種I.化學(xué)氣相沉積法提供了一種可控制備石墨烯的有效方法，它是將平面基底，如金屬薄膜、金屬單晶等置于高溫可分解的前驅(qū)體，如甲烷、乙烯等氣氛中，通過(guò)高溫退火使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學(xué)腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨(dú)立的石墨烯片。通過(guò)選擇基底的類(lèi)型、生長(zhǎng)的溫度、前驅(qū)體的流量等參數(shù)可調(diào)控石墨烯的生長(zhǎng)，如生長(zhǎng)速率、厚度、面積等，此方法最大的缺點(diǎn)在于獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強(qiáng)，喪失了許多單層石墨烯的性質(zhì)，而且石墨烯的連續(xù)性不是很好。2.熱分解SiC法將單晶SiC加熱以通過(guò)使表面上的SiC分解而除去Si，隨后殘留的碳形成石墨烯。然而，SiC熱分解中使用的單晶SiC非常昂貴，并且生長(zhǎng)出來(lái)的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，層數(shù)不均勻?，F(xiàn)有的石墨烯的制備方法，如申請(qǐng)?zhí)枮?00810113596. O的“化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的方法”專(zhuān)利，公開(kāi)的方法是首先制備催化劑，然后進(jìn)行高溫化學(xué)氣相沉積，將帶有催化劑的襯底放入無(wú)氧反應(yīng)器中，使襯底達(dá)到500-1200°C，再通入含碳?xì)庠催M(jìn)行化學(xué)沉積而得到石墨烯，然后對(duì)石墨烯進(jìn)行提純(即酸處理或低壓、高溫下蒸發(fā))除去催化劑。該方法的主要缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，需要專(zhuān)門(mén)去除催化劑，能源消耗大，生產(chǎn)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于Ni膜退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法，以提高表面光滑度和連續(xù)性、降低孔隙率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟(I)對(duì)SiC樣片進(jìn)行清洗，以去除表面污染物；(2)將清洗后的SiC樣片置于石英管中，加熱至700-1100°C ；(3)向石英管中通入Ar氣和Cl2氣的混合氣體，持續(xù)時(shí)間3_8min，使Cl2與3C_SiC 反應(yīng)生成碳膜；(4)在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；(5)將生成的碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，并將它們一同置于Ar氣中在溫度為1000-1200°C下退火10-30min，使碳膜重構(gòu)成石墨烯，再將Ni膜從石墨烯樣片上取開(kāi)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明使用的方法工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，安全性高。2.本發(fā)明中SiC與Cl2可在較低的溫度和常壓下反應(yīng)，且反應(yīng)速率快。3.本發(fā)明由于利用SiC與Cl2氣反應(yīng)，因而生成的石墨烯表面光滑，空隙率低，且厚度容易控制，可用于對(duì)氣體和液體的密封。4.本發(fā)明由于利用在Ni膜上退火，因而生成的碳膜更容易重構(gòu)形成連續(xù)性較好的石墨烯。


圖I是本發(fā)明制備石墨烯的裝置示意圖；圖2是本發(fā)明制備石墨烯的流程圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本發(fā)明的制備設(shè)備主要由石英管I和電阻爐2組成，其中石英管I設(shè)有進(jìn)氣口 3和出氣口 4，電阻爐為2為環(huán)狀空心結(jié)構(gòu)，石英管I插裝在電阻爐2內(nèi)。參照?qǐng)D2，本發(fā)明的制作方法給出如下三種實(shí)施例。實(shí)施例I步驟I :清洗6H_SiC樣片，以去除表面污染物。(I. I)對(duì)6H_SiC襯底基片使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；(I. 2)將去除表面有機(jī)殘余物后的6H_SiC樣片再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10 分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟2 :將6H_SiC樣片裝入石英管，并排氣加熱。(2. I)將清洗后的6H_SiC樣片放入石英管I中，把石英管置于電阻爐2中；(2. 2)從進(jìn)氣口 3向石英管中通入流速為80SCCm的Ar氣，對(duì)石英管進(jìn)行排空10 分鐘，將空氣從出氣口 4排出；(2. 3)打開(kāi)電阻爐電源開(kāi)關(guān)，對(duì)石英管加熱至700°C。步驟3 生成碳膜向石英管通入流速分別為98sccm和2sccm的Ar氣和Cl2氣，時(shí)間為5分鐘,使Cl2 與6H-SiC反應(yīng)生成碳膜。步驟4 :取Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強(qiáng)抽至5 X IO-4Pa,調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)lOmin，在Si襯底樣片上沉積一層300nm厚的Ni膜。步驟5:重構(gòu)成石墨烯。(5. I)將生成的碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上；(5.2)將碳膜樣片和Ni膜整體置于流速為lOOsccm的Ar氣中，在溫度為900°C下退火10分鐘，通過(guò)金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成連續(xù)的石墨烯；(5. 3)將Ni膜從石墨烯樣片上取開(kāi)。
實(shí)施例2步驟一清洗4H_SiC樣片，以去除表面污染物。對(duì)4H_SiC襯底基片先使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟二 將4H_SiC樣片裝入石英管，并排氣加熱。將清洗后的4H_SiC樣片置于石英管I中，把石英管置于電阻爐2中；從進(jìn)氣口 3 向石英管中通入流速為80SCCm的Ar氣，對(duì)石英管進(jìn)行排空10分鐘，將空氣從出氣口 4排出；再打開(kāi)電阻爐電源開(kāi)關(guān)，對(duì)石英管加熱至1000°C。步驟三生成碳膜向石英管通入流速分別為97sccm和3sccm的Ar氣和Cl2氣，時(shí)間為3分鐘,使Cl2 與4H-SiC反應(yīng)生成碳膜。步驟四取Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強(qiáng)抽至5 X IO-4Pa,調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)15min，在Si襯底樣片上沉積一層400nm厚的Ni膜。步驟五重構(gòu)成石墨烯。將生成的碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上；將碳膜樣片和Ni膜整體置于流速為75sccm的Ar氣中，在溫度為1000°C下退火15分鐘，通過(guò)金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成連續(xù)的石墨烯；將Ni膜從石墨烯樣片上取開(kāi)。實(shí)施例3步驟A :對(duì)6H_SiC襯底基片進(jìn)行表面清潔處理，即先使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品 10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘， 取出后烘干，以去除離子污染物。步驟B :將清洗后的6H_SiC樣片置于石英管I中，并把石英管置于電阻爐2中；從進(jìn)氣口 3向石英管中通入流速為80SCCm的Ar氣，對(duì)石英管進(jìn)行排空10分鐘，將空氣從出氣口 4排出；再打開(kāi)電阻爐電源開(kāi)關(guān)，對(duì)石英管加熱至1100°C。步驟C :向石英管中通入流速分別為95sccm和5sccm的Ar氣和Cl2氣，時(shí)間為8 分鐘，使Cl2與6H-SiC反應(yīng)生成碳膜。步驟D :取Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強(qiáng)抽至5 X 10_4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)20min，在Si襯底樣片上沉積一層500nm厚的Ni膜。步驟E :將生成的碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上；將碳膜樣片和 Ni膜整體置于流速為25sccm的Ar氣中，在溫度為1100°C下退火30分鐘，通過(guò)金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成連續(xù)的石墨烯；將Ni膜從石墨烯樣片上取開(kāi)。
權(quán)利要求
1.一種基于Ni膜退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)對(duì)SiC樣片進(jìn)行清洗，以去除表面污染物；(2)將清洗后的SiC樣片置于石英管中，加熱至700-1100°C；(3)向石英管中通入Ar氣和Cl2氣的混合氣體，持續(xù)時(shí)間3-8min，使Cl2與3C_SiC反應(yīng)生成碳膜；(4)在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；(5)將生成的碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，并將它們一同置于Ar氣中在溫度為 900-1100°C下退火10-30min，使碳膜重構(gòu)成石墨烯，再將Ni膜從石墨烯樣片上取開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Ni膜輔助退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法，其特征在于所述步驟(I)對(duì)SiC樣片進(jìn)行清洗，是先使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡SiC樣片10分鐘，取出后烘干，以去除樣片表面有機(jī)殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Ni膜退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法， 其特征在于步驟(3)所述通入的Ar氣和Cl2氣，其流速分別為95-98sccm和5_2sccm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Ni膜退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法， 其特征在于所述步驟(4)中電子束沉積的條件為基底到靶材的距離為50cm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為 5 X 10 4Pa,束流為40mA,蒸發(fā)時(shí)間為10_20min。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Ni膜退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法， 其特征在于所述步驟(5)退火時(shí)Ar氣的流速為25-100sccm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Ni膜退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法， 其特征在于所述SiC樣片的晶型采用4H-SiC或6H-SiC。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Ni膜退火和Cl2反應(yīng)的SiC襯底上制備石墨烯的方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中制備的石墨烯表面不光滑、連續(xù)性不好、層數(shù)不均勻的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是先對(duì)SiC樣片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；將清洗后的SiC樣片置于石英管中，向石英管中通入Ar氣和Cl2的混合氣體，在700-1100℃下SiC與Cl2反應(yīng)3-8min，生成碳膜；然后在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；再將生成的碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，并將它們一同置于Ar氣中，在溫度為900-1100℃下退火10-30min生成石墨烯；最后將Ni膜從石墨烯樣片上取開(kāi)。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單，安全性高，生成的石墨烯表面光滑，連續(xù)性好，孔隙率低的優(yōu)點(diǎn)，可用于對(duì)氣體和液體的密封。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102583325SQ201210007709
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月3日
發(fā)明者張克基, 張玉明, 鄧鵬飛, 郭輝, 雷天民 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)