本發(fā)明涉及一種石墨烯的制備方法，特別是涉及一種在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是第一個被成功制備出的穩(wěn)定二維晶體,被認為是構(gòu)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(yōu)異性質(zhì)引起了在納米力學(xué),納米電子學(xué)和納米光子學(xué)等方面大量的探索熱潮。因此自2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來,對石墨烯合成方法的研究從未間斷，不同層數(shù)的石墨烯具備不同的性質(zhì)，例如單層石墨烯具有高透光率、高導(dǎo)電性等，雙層石墨烯在磁場作用下可以打開帶隙。

當(dāng)前石墨烯的合成面臨的主要問題是對石墨烯的層數(shù)可控和直接在絕緣襯底上制備。預(yù)先將碳離子注入到鎳—銅層狀結(jié)構(gòu)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(shù)的石墨烯。然而，基于上述方法雖然能獲得不同層數(shù)的石墨烯，但是，所獲得的石墨烯是生長于鎳銅合金表面，在實際應(yīng)用中，所得到的石墨烯需要轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上才能實現(xiàn)進一步的應(yīng)用，，在多層石墨烯轉(zhuǎn)移的過程，不可避免地引入缺陷、雜質(zhì)、褶皺和裂縫，從而可能降低石墨烯器件的性能。

鑒于以上所述，如何能實現(xiàn)一種在絕緣襯底上直接獲得可控層數(shù)的石墨烯的方法依舊是一個極大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中難以在絕緣襯底上直接制備可控層數(shù)的石墨烯的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種在絕緣襯底上直接制備層數(shù)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，于所述絕緣襯底上形成第一金屬層；步驟2)，于所述第一金屬層中注入碳離子；步驟3)，于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，并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(shù)可控的絕緣體上石 墨烯。

作為本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法的一種優(yōu)選方案，所述第二金屬的碳離子溶解度小于所述第一金屬層的碳離子溶解度。

作為本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法的一種優(yōu)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(shù)。

作為本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法的一種優(yōu)選方案，所述第一金屬層為鎳層，第二金屬層為銅層。

優(yōu)選地，所述銅層的厚度大于所述鎳層的厚度。

優(yōu)選地，所述鎳層的厚度范圍為100～500nm。

優(yōu)選地，所述銅層的厚度范圍為1～10μm。

優(yōu)選地，所述退火工藝的溫度范圍為700～1000℃。

優(yōu)選地，所述退火工藝的時間范圍為5～30min。

優(yōu)選地，每增加一層石墨烯所對應(yīng)增加的碳離子的注入劑量范圍為3.5×1015～4×1015atoms/cm2。

作為本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法的一種優(yōu)選方案，步驟1)中，采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法于所述絕緣襯底上形成第一金屬層。

作為本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中，采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射或電鍍的方法于所述第一金屬層表面形成所述第二金屬層。

作為本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法的一種優(yōu)選方案，步驟5)中，采用膠帶粘貼及撕除的方法去除所述合金，或者采用濕法腐蝕的方法去除所述合金。

作為本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法的一種優(yōu)選方案，所述絕緣襯底包括表面具有氧化硅的硅襯底、藍寶石襯底以及石英玻璃襯底中的一種。

如上所述，本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法，具有以下有益效果：

1)本發(fā)明設(shè)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(shù)；

2)本發(fā)明可以在不同的絕緣襯底上直接獲得大面積層數(shù)可控的高質(zhì)量連續(xù)石墨烯，不需要進一步轉(zhuǎn)移，避免了石墨烯在轉(zhuǎn)移過程中引入缺陷、雜質(zhì)、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(fā)明可以避免使用氫氣、甲烷等危險氣體；

4)本發(fā)明高溫合成時間極短(5分鐘～30分鐘)，可以極大的提高制備效率；

5)本發(fā)明為工業(yè)化制備絕緣體上高質(zhì)量石墨烯以及石墨烯應(yīng)用提供了有效可行地途徑。

附圖說明

圖1～圖6顯示為本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法各步驟所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7～圖9分別顯示為采用本發(fā)明的在絕緣襯底上直接制備層數(shù)可控石墨烯的方法所制備的單層石墨烯、雙層石墨烯以及三層石墨烯的拉曼光譜圖。

元件標(biāo)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(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)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(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

如圖1～圖9所示，本實施例提供一種在絕緣襯底101上直接制備層數(shù)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，于所述絕緣襯底101上形成第一金屬層102。

作為示例，所述絕緣襯底101包括表面具有氧化硅的硅襯底、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為表面具有氧化硅的硅襯底，選擇該襯底最后形成的結(jié)構(gòu)為硅襯底-絕緣層-石墨烯105頂層的絕緣體上石墨烯105結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以替代傳統(tǒng)soi襯底，并發(fā)揮石墨烯105的各項優(yōu)異性能，符合現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝需求。

作為示例，采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法于所述絕緣襯底101上形成第一金屬層102。在本實施例中，采用磁控濺射的方法于所述絕緣襯底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，所述鎳層的厚度范圍為100～500nm。在本實施例中，所述鎳層的厚度為300nm。

如圖3所示，然后進行步驟2)，于所述第一金屬層102中注入碳離子。

作為示例，本發(fā)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(shù)。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(shù)的關(guān)系如下表所示：

由上表可知，石墨烯105的層數(shù)基本與碳離子的注入劑量呈比例關(guān)系，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(shù)。

作為示例，每增加一層石墨烯105所對應(yīng)增加的碳離子的注入劑量范圍為3.5×10¹⁵～4×10¹⁵atoms/cm²。在本實施例中，每增加一層石墨烯105所對應(yīng)增加的碳離子的注入劑量范圍為3.8×10¹⁵8atoms/cm²。

如圖4所述，接著進行步驟3)，于所述第一金屬層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于所述第一金屬層102的碳離子溶解度。優(yōu)選地，所述第二金屬的碳離子溶解度選擇為越低越好，更優(yōu)選的，所述第二金屬的碳離子溶解度選擇為零或者接近零，并且，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(yōu)選為越低越好，以保證碳離子形成石墨烯105的轉(zhuǎn)化率。

作為示例，采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射或電鍍的方法于所述第一金屬層102表面形成所述第二金屬層103。在本實施例中，采用電鍍的方法于所述第一金屬層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，所述銅層的厚度大于所述鎳層的厚度，以保證后續(xù)互溶過程中使碳離子盡量多的被推出至絕緣襯底101表面。

作為示例，所述銅層的厚度范圍為1～10μm。在本實施例中，所述銅層的厚度為5μm。

如圖5所示，然后進行步驟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，并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范圍為700～1000℃。

作為示例，所述退火工藝的時間范圍為5～30min。本發(fā)明高溫合成時間極短(5分鐘～30分鐘)，可以極大的提高制備效率。

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，由于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，最后進行步驟5)，去除所述合金104，以獲得層數(shù)可控的絕緣體上石墨烯105。

作為示例，可以采用膠帶粘貼及撕除的方法去除所述合金104，或者采用濕法腐蝕的方法去除所述合金104。在本實施例中，采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(xué)腐蝕，可以避免石墨烯105損傷的優(yōu)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，采用本發(fā)明的方法可以獲得高質(zhì)量的層數(shù)可控的絕緣體上石墨烯105。

如上所述，本發(fā)明的在絕緣襯底101上直接制備層數(shù)可控石墨烯105的方法，具有以下有益效果：

1)本發(fā)明設(shè)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(shù)；

2)本發(fā)明可以在不同的絕緣襯底上直接獲得大面積層數(shù)可控的高質(zhì)量連續(xù)石墨烯，不需要進一步轉(zhuǎn)移，避免了石墨烯在轉(zhuǎn)移過程中引入缺陷、雜質(zhì)、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(fā)明可以避免使用氫氣、甲烷等危險氣體；

4)本發(fā)明高溫合成時間極短(5分鐘～30分鐘)，可以極大的提高制備效率。；

5)本發(fā)明為工業(yè)化制備絕緣體上高質(zhì)量石墨烯以及石墨烯應(yīng)用提供了有效可行地途徑。

所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。