專(zhuān)利名稱(chēng)：一種石墨烯條帶的低溫化學(xué)氣相沉積制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯條帶的低溫化學(xué)氣相沉積制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯(graphene)是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢結(jié)構(gòu)的材料，其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使單層石墨成為具有零帶隙的半導(dǎo)體材料代表，其中單層石墨烯納米條帶因具有量子限域效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，而使得石墨烯條帶能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶隙的調(diào)節(jié)，有望被用于制作高電子遷移率和高轉(zhuǎn)換速度的晶體管器件等。目前，國(guó)內(nèi)外制備石墨烯條帶的典型方法包括:電子束刻蝕法、化學(xué)法以及外延生長(zhǎng)法等，但是這些方法存在諸如:無(wú)法精確控制石墨烯條帶裁剪尺寸、無(wú)法避免所制備的石墨烯條帶中的缺陷和雜質(zhì)等問(wèn)題，特別是采用氣相生長(zhǎng)法所制備的石墨烯的生長(zhǎng)溫度較高，其典型生長(zhǎng)溫度甚至高于1000 °c，給石墨烯的生產(chǎn)制備和應(yīng)用推廣帶來(lái)難度。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種石墨烯條帶的低溫化學(xué)氣相沉積(CVD)制備方法，目的是在低于1000°C的條件下，直接制備出邊緣光滑、具有規(guī)則長(zhǎng)方形的
單層石墨烯條帶。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案按照以下步驟進(jìn)行:
(1)電解拋光銅箔:以待拋光的銅箔作為陽(yáng)極，銅板作陰極，將兩個(gè)電極同時(shí)插入到電解拋光液中，控制電流恒定為1.0 1.5 A，通電70 120秒，對(duì)銅箔進(jìn)行電解拋光，然后清洗拋光后的銅箔，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br>
(2)銅箔退火:將吹干的銅箔放入石英管反應(yīng)器內(nèi)，并置于水平加熱爐恒溫區(qū)，石英管反應(yīng)器的一端與氫氣瓶和液體碳源容器相連，另一端與真空泵相連，將石英管反應(yīng)器內(nèi)抽真空至1(T2 Torr,通入流速為4.0 10.0 sccm的氫氣，同時(shí)采用水平加熱爐以5 50°C/min的速度升溫加熱，加熱至500 950 1:時(shí)，保溫30 60 min退火；
(3)石墨烯條帶低溫生長(zhǎng):退火后控制爐溫為500 580°C，同時(shí)調(diào)節(jié)氫氣的流速為2.4 3.0 sccm，通入液體碳源，液體碳源在石英管反應(yīng)器內(nèi)的負(fù)壓作用下以氣態(tài)形式進(jìn)入到反應(yīng)器內(nèi)，在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯條帶，控制石英管反應(yīng)器內(nèi)壓力在2.0 10.0 Torr之間，控制生長(zhǎng)時(shí)間為10 50 min ；
(4)生長(zhǎng)結(jié)束后，在真空條件下，爐冷至室溫，得到生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯條帶。所述的電解拋光液的配方是:去離子水1000 ml，磷酸500 ml，無(wú)水乙醇500 ml,異丙醇100 ml,尿素9 go所述的液體碳源為具有芳香族、脂肪族化合物特征及介于芳香族和脂肪族化合物特征之間的含碳有機(jī)溶劑。 氫氣既作為還原氣體，又作為載氣和稀釋氣體。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是:
(1)本發(fā)明方法的石墨烯條帶的生長(zhǎng)溫度低于現(xiàn)有技術(shù)中的CVD法生長(zhǎng)石墨烯的溫
度；
(2)本發(fā)明方法制備得到的石墨烯條帶本身大多具有較平滑的邊緣和規(guī)則的長(zhǎng)方形，無(wú)需進(jìn)行形狀剪裁；
(3)本發(fā)明方法制備得到的墨烯條帶是單層石墨烯條帶；
(4)本發(fā)明方法中作為石墨烯生長(zhǎng)的催化劑襯底材料為經(jīng)過(guò)電解拋光的銅箔，使得銅箔表面平滑且具有較高的表面化學(xué)活性；所采用的碳源為具有芳香族和脂肪族化合物特征以及介于芳香族和脂肪族化合物特征之間的含碳有機(jī)溶劑，與現(xiàn)有CVD技術(shù)中普遍采用的氣體碳源甲烷等相比，該類(lèi)液體有利于石墨烯條帶的低溫生長(zhǎng)。
圖1為本發(fā)明低溫制備石墨烯條帶的裝置示意 圖中，1:水平加熱爐；2:石英管反應(yīng)器；3:電解拋光的銅箔；4:液體碳源；5:碳源控制真空閥；6:真空計(jì)；7:球閥；8:真空泵；9:氫氣瓶。圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的石墨烯條帶的SEM照片和Raman光譜 其中(a)為低溫生長(zhǎng)在電解拋光銅箔上的石墨烯條帶的SEM照片；
(b)單層石墨烯條帶的典型激光Raman光譜圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳述本發(fā)明。本發(fā)明低溫化學(xué)氣相沉積制備石墨烯條帶的裝置示意圖如圖1所示，包括水平加熱爐1、石英管反應(yīng)器2、電解拋光的銅箔3、液體碳源4、真空閥5、真空計(jì)6、球閥7、真空泵8和氫氣瓶，其中石英管反應(yīng)器2作為石墨烯條帶的反應(yīng)生長(zhǎng)腔體，放置在水平加熱爐I內(nèi)，將電解拋光的銅箔3放置在石英管反應(yīng)器2內(nèi)，并推進(jìn)到水平加熱爐I的恒溫反應(yīng)區(qū)內(nèi)，石英管反應(yīng)器2的一端與真空泵8通過(guò)球閥7連接，另一端與液體碳源4和氫氣瓶9相連。本發(fā)明實(shí)施例中所用的銅箔是純度為99.8%的銅箔美國(guó)Alfa-Aesar公司生產(chǎn)的厚度為25 y m的銅箔,并裁切成尺寸為2 cm X 1 cm的矩形；
本發(fā)明實(shí)施例中電解拋光的供電電源型號(hào)是Hewlett Packard 6612型直流電源。實(shí)施例1
(1)電解拋光銅箔:以待拋光的銅箔作為陽(yáng)極，厚度為1mm的銅板作陰極，將兩個(gè)電極同時(shí)插入到成分為:去離子水1000 ml,正磷酸500 ml,無(wú)水乙醇500 ml,異丙醇100 ml,尿素9 g的電解拋光液中，控制電流恒定為1.0A，通電120秒，對(duì)銅箔進(jìn)行電解拋光，然后清洗拋光后的銅箔，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br>
(2)銅箔退火:將吹干的銅箔放入石英管反應(yīng)器內(nèi)，并置于水平加熱爐恒溫區(qū)，石英管反應(yīng)器的一端與氫氣瓶和盛有液體碳源無(wú)水乙醇的容器相連，另一端與真空泵相連，將石英管反應(yīng)器內(nèi)抽真空至9 X KT3Torr,通入流速為5.8 sccm的氫氣，同時(shí)采用水平加熱爐以20 0C /min的速度升溫加熱，加熱至950℃時(shí),保溫30 min退火；
(3)石墨烯條帶低溫生長(zhǎng):退火后控制爐溫為550°C,同時(shí)調(diào)節(jié)氫氣的流速為3.0sccm，通入液體碳源無(wú)水乙醇，無(wú)水乙醇在石英管反應(yīng)器內(nèi)的負(fù)壓作用下以氣態(tài)形式進(jìn)入到反應(yīng)器內(nèi)，在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯條帶，控制石英管反應(yīng)器內(nèi)壓力在7.8 Torr，控制生長(zhǎng)時(shí)間為30 min ；
(4)生長(zhǎng)結(jié)束后，在真空條件下，爐冷至室溫，得到生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯條帶。采用FEI Quanta-600環(huán)境掃描電鏡對(duì)生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯條帶進(jìn)行電鏡掃描，得到如圖2 (a)所示的SEM照片，其激光共聚焦Raman光譜的單譜譜圖如圖2 (b)所示，從圖2 (a)和圖2 (b)可以看出制備出的石墨烯條帶為單層石墨烯，具有規(guī)則形狀。實(shí)施例2
(1)電解拋光銅箔:以待拋光的銅箔作為陽(yáng)極，厚度為Imm的銅板作陰極，將兩個(gè)電極同時(shí)插入到成分為:去離子水1000 ml,正磷酸500 ml,無(wú)水乙醇500 ml,異丙醇100 ml,尿素9 g的電解拋光液中，控制電流恒定為1.2A，通電90秒，對(duì)銅箔進(jìn)行電解拋光，然后清洗拋光后的銅箔，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br>
(2)銅箔退火:將吹干的銅箔放入石英管反應(yīng)器內(nèi)，并置于水平加熱爐恒溫區(qū)，石英管反應(yīng)器的一端與氫氣瓶和盛有液體碳源四氫呋喃的容器相連，另一端與真空泵相連，將石英管反應(yīng)器內(nèi)抽真空至10_2Torr,通入流速為4.0sccm的氫氣，同時(shí)采用水平加熱爐以5V /min的速度升溫加熱，加熱至500 1:時(shí)，保溫60 min退火；
(3)石墨烯條帶低溫生長(zhǎng): 退火后控制爐溫為500°C,同時(shí)調(diào)節(jié)氫氣的流速為2.4sccm，通入液體碳源四氫呋喃，液體碳源四氫呋喃在石英管反應(yīng)器內(nèi)的負(fù)壓作用下以氣態(tài)形式進(jìn)入到反應(yīng)器內(nèi)，在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯條帶，控制石英管反應(yīng)器內(nèi)壓力在10.0 Torr,控制生長(zhǎng)時(shí)間為50 min ；
(4)生長(zhǎng)結(jié)束后，在真空條件下，爐冷至室溫，得到生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯條帶，經(jīng)檢測(cè)，制備出的石墨烯條帶為單層石墨烯，具有規(guī)則形狀。實(shí)施例3
(1)電解拋光銅箔:以待拋光的銅箔作為陽(yáng)極，厚度為Imm的銅板作陰極，將兩個(gè)電極同時(shí)插入到成分為:去離子水1000 ml,正磷酸500 ml,無(wú)水乙醇500 ml,異丙醇100 ml,尿素9 g的電解拋光液中，控制電流恒定為1.5A，通電70秒，對(duì)銅箔進(jìn)行電解拋光，然后清洗拋光后的銅箔，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br>
(2)銅箔退火:將吹干的銅箔放入石英管反應(yīng)器內(nèi)，并置于水平加熱爐恒溫區(qū)，石英管反應(yīng)器的一端與氫氣瓶和盛有液體碳源二甲苯的容器相連，另一端與真空泵相連，將石英管反應(yīng)器內(nèi)抽真空至8X 10_3Torr,通入流速為10.0sccm的氫氣，同時(shí)采用水平加熱爐以50°C/min的速度升溫加熱，加熱至800 1:時(shí)，保溫45 min退火；
(3)石墨烯條帶低溫生長(zhǎng):退火后控制爐溫為580°C,同時(shí)調(diào)節(jié)氫氣的流速為2.8sccm，通入液體碳源二甲苯，液體碳源二甲苯在石英管反應(yīng)器內(nèi)的負(fù)壓作用下以氣態(tài)形式進(jìn)入到反應(yīng)器內(nèi)，在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯條帶，控制石英管反應(yīng)器內(nèi)壓力在2.0 Torr，控制生長(zhǎng)時(shí)間為10 min ；
(4)生長(zhǎng)結(jié)束后，在真空條件下，爐冷至室溫，得到生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯條帶，制備出的石墨烯條帶為單層石墨烯，具有規(guī)則形狀。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯條帶的低溫化學(xué)氣相沉積制備方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: (1)電解拋光銅箔:以待拋光的銅箔作為陽(yáng)極，銅板作陰極，將兩個(gè)電極同時(shí)插入到電解拋光液中，控制電流恒定為1.0 1.5 A，通電70 120秒，對(duì)銅箔進(jìn)行電解拋光，然后清洗拋光后的銅箔，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫? (2)銅箔退火:將吹干的銅箔放入石英管反應(yīng)器內(nèi)，并置于水平加熱爐恒溫區(qū)，石英管反應(yīng)器的一端與氫氣瓶和液體碳源容器相連，另一端與真空泵相連，將石英管反應(yīng)器內(nèi)抽真空至1(T2 Torr,通入流速為4.0 10.0 sccm的氫氣，同時(shí)采用水平加熱爐以5 50°C /min的速度升溫加熱，加熱至500 950°C時(shí)，保溫30 60 min退火； (3)石墨烯條帶低溫生長(zhǎng):退火后控制爐溫為500 580°C，同時(shí)調(diào)節(jié)氫氣的流速為2.4 3.0 sccm，通入液體碳源，液體碳源在石英管反應(yīng)器內(nèi)的負(fù)壓作用下以氣態(tài)形式進(jìn)入到反應(yīng)器內(nèi)，在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯條帶，控制石英管反應(yīng)器內(nèi)壓力在2.0 10.0 Torr之間，控制生長(zhǎng)時(shí)間為10 50 min ； (4)生長(zhǎng)結(jié)束后，在真空條件下，爐冷至室溫，得到生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯條帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯條帶的低溫化學(xué)氣相沉積制備方法，其特征在于所述的電解拋光液的配方是:將去離子水1000 ml，磷酸500 ml，無(wú)水乙醇500 ml，異丙醇100 ml,尿素9 g攪拌混合均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯條帶的低溫化學(xué)氣相沉積制備方法，其特征在于所述的液體碳源為具有芳香族、脂肪族化合物特征及介于芳香族和脂肪族化合物特征之間的含碳有機(jī) 溶劑。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯條帶的低溫化學(xué)氣相沉積制備方法。本發(fā)明的步驟是首先對(duì)銅箔進(jìn)行電解拋光，然后將銅箔放入石英管反應(yīng)器內(nèi)，在氫氣條件下進(jìn)行退火，然后于500~580℃，同時(shí)調(diào)節(jié)氫氣的流速為2.4~3.0sccm，并通入液體碳源，在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯條帶，控制壓力在2.0~10.0Torr之間，控制生長(zhǎng)時(shí)間為10~50min，得到生長(zhǎng)在銅箔上的石墨烯條帶。本發(fā)明方法中使用電解拋光的銅箔，使得銅箔表面的化學(xué)活性更高，采用的碳源為具有芳香族和脂肪族化合物特征以及介于芳香族和脂肪族化合物特征之間的含碳有機(jī)溶劑，與現(xiàn)有技術(shù)中普遍采用的氣體碳源甲烷等相比，更加有利于石墨烯條帶的低溫生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK103086370SQ201310021420
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者張濱, 張穎, 劉常升 申請(qǐng)人:東北大學(xué)