一種懸空石墨烯的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由碳原子組成的擁有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維薄膜。由于其優(yōu)異的電子迀移率、單原子層的厚度及超高的機(jī)械強(qiáng)度而被認(rèn)為在信息技術(shù)、半導(dǎo)體、生物傳感、能源和環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，石墨烯因其優(yōu)異的電學(xué)性能而被認(rèn)為可能取代硅成為下一代半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)材料。傳統(tǒng)的石墨烯一般生長在絕緣襯底之上或轉(zhuǎn)移到絕緣襯底之上，然后用于制備功能器件。然而，石墨烯與襯底的相互作用會降低石墨烯的電子迀移率，進(jìn)而降低石墨烯功能器件的性能。另外，石墨烯在分子探測領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，制備高質(zhì)量的懸空石墨烯是其關(guān)鍵的一步。例如，基于石墨烯的納米孔被認(rèn)為有潛力應(yīng)用于生物傳感領(lǐng)域，特別是下一代DNA測序技術(shù)。因此，制備懸空石墨烯一直是相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)科學(xué)技術(shù)人員努力的方向之一。
[0004]目前，制備懸空石墨烯主要是轉(zhuǎn)移法或者刻蝕法。前者是將制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到有結(jié)構(gòu)的襯底上，形成懸空的功能區(qū)；后者則將石墨烯下面的襯底刻蝕掉，得到懸空石墨烯。這兩種方法的制備過程繁瑣，并且其中不可避免的化學(xué)污染會影響到懸空石墨烯的潛在性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種簡單、安全、可控地制備優(yōu)質(zhì)懸空石墨烯的方法，包括以下步驟:
[0006]步驟A:采用半導(dǎo)體工藝在碳化硅襯底上制備預(yù)期結(jié)構(gòu)；
[0007]步驟B:在富碳環(huán)境下，采用高溫?zé)岱纸夥ㄖ苽鋺铱帐?br>[0008]根據(jù)本發(fā)明的懸空石墨烯的制備方法，優(yōu)選地，所述碳化硅襯底為6H-碳化硅單晶或4H-碳化硅單晶。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的懸空石墨烯的制備方法，優(yōu)選地，所述預(yù)期結(jié)構(gòu)的形狀為圓形、類似石墨烯六元環(huán)形或者字母形狀。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的懸空石墨烯的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟A為采用聚焦離子束刻蝕法在所述碳化硅襯底刻蝕出預(yù)期結(jié)構(gòu)，或者所述步驟A包括采用光刻圖形轉(zhuǎn)移法或電子束曝光方法將預(yù)期圖形轉(zhuǎn)移至所述碳化硅襯底，然后采用反應(yīng)離子刻蝕法在所述碳化硅襯底刻蝕出相應(yīng)的預(yù)期結(jié)構(gòu)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的懸空石墨烯的制備方法，優(yōu)選地，所述步驟A還包括:將所得到的樣品在氫氬氛圍下退火。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的懸空石墨烯的制備方法，優(yōu)選地，在步驟B中，采用石墨坩禍提供額外的碳源或者通入含碳?xì)怏w得到所述富碳環(huán)境。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的懸空石墨烯的制備方法，優(yōu)選地，所述含碳?xì)怏w為甲烷。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的懸空石墨烯的制備方法，優(yōu)選地，根據(jù)所述預(yù)期結(jié)構(gòu)的線寬確定所述高溫?zé)岱纸夥ǖ纳L溫度和生長時間。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的懸空石墨烯的制備方法，優(yōu)選地，所述生長溫度的范圍是13000C -1800°C，所述生長時間的范圍是15min-30min。
[0016]本發(fā)明還提供了一種納米孔傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0017]步驟1:采用半導(dǎo)體工藝在碳化娃襯底上制備圓通孔；
[0018]步驟2:在富碳環(huán)境下，采用高溫?zé)岱纸夥ㄖ苽鋱A形懸空石墨烯；
[0019]步驟3:采用透射電子顯微鏡在所述圓形懸空石墨烯薄膜上制備納米孔。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0021]1.本發(fā)明提供的制備方法所制備的懸空石墨烯在生長后期無需經(jīng)過化學(xué)試劑等處理，干凈無污染，最大限度地減少了有機(jī)雜質(zhì)對石墨烯性能的影響。
[0022]2.本發(fā)明提供的制備方法簡單，無需轉(zhuǎn)移或刻蝕等繁瑣步驟，更適合機(jī)器化和自動化制造。
[0023]3.本發(fā)明提供的制備方法是在碳化硅襯底結(jié)構(gòu)上生長的懸空石墨烯，非懸空區(qū)域與襯底的作用更強(qiáng)，更牢固，更易于使用。
【附圖說明】
[0024]以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步說明，其中:
[0025]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例1的用掃描電子顯微鏡拍攝的在6H-碳化硅孔洞結(jié)構(gòu)上生長的圓形懸空石墨烯的照片，右下角的插圖為生長前該孔洞的掃描電鏡照片；
[0026]圖2為圖1所示的懸空石墨烯的拉曼譜圖；
[0027]圖3為根據(jù)本發(fā)明的實施例1的用原子力顯微鏡拍攝的圓形懸空石墨烯的照片；
[0028]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例2的4H-碳化硅單晶襯底上類似石墨烯六元環(huán)結(jié)構(gòu)的圖形結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片；
[0029]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例3的6H-碳化硅單晶襯底上英文“1P”字樣的圖形結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片；
[0030]圖6為根據(jù)本發(fā)明的實施例4制備的納米孔傳感器的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0032]實施例1
[0033]本實施例提供一種圓形懸空石墨烯的制備方法，包括:
[0034]步驟A:采用光刻圖形轉(zhuǎn)移法將直徑為I 的圓形轉(zhuǎn)移至6H-碳化硅單晶襯底，然后用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在碳化硅的(0001)面刻蝕貫穿襯底OlOym)的相應(yīng)的圓孔結(jié)構(gòu)；
[0035]步驟B:在9帕斯卡分壓的氬氣和I帕斯卡分壓的氫氣氛圍中退火以去除碳化硅襯底表面的缺陷；
[0036]步驟C:采用石墨坩禍提供額外的碳源，在富碳環(huán)境下，在1300°C下保持30分鐘，高溫?zé)岱纸?H-碳化硅單晶外延生長石墨烯。在該過程中，首先，碳化硅襯底上生長一層石墨烯，然后在圓孔結(jié)構(gòu)邊緣形成與圓孔結(jié)構(gòu)相同的碳原子邊界。其次，環(huán)境中多余的碳蒸氣會跟邊界處的碳原子結(jié)合形成延伸的薄膜。最終薄膜愈合形成完整的懸空石墨烯薄膜。
[0037]圖1為所生長的圓形懸空石墨烯的掃描電鏡照片，右下角的插圖為生長前的孔洞結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。
[0038]圖2為圖1所示的圓形懸空石墨烯的拉曼譜圖。從中可以清楚地看出1600CHT1和2700CHT1附近的峰位石墨烯的特征G峰和2D峰。
[0039]圖3為圓形懸空石墨烯的原子顯微鏡照片。虛線為襯底上橫實線所畫部分的高度曲線。在探針的壓力下，石墨烯的形變幅度約35nm。
[0040]實施例2
[0041]本實施例提供一種類似石墨烯六元環(huán)結(jié)構(gòu)的懸空石墨烯的制備方法，包括:
[0042