專利名稱：一種一維尺度受限的石墨烯納米帶的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石墨烯的制造領(lǐng)域，尤其涉及一種一維尺度受限的石墨烯納米帶的制備方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)摩爾定律，芯片的集成度每18個(gè)月至2年提高一倍，S卩加工線寬縮小一半。利用尺寸不斷減小的硅基半導(dǎo)體材料(硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬)來(lái)延長(zhǎng)摩爾定律的發(fā)展道路已逐漸接近終點(diǎn)。隨著微電子領(lǐng)域器件尺寸的不斷減小，硅材料逐漸接近其加工的極限。為延長(zhǎng)摩爾定律的壽命，國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)界紛紛提出超越硅技術(shù)(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯應(yīng)運(yùn)而生。石墨烯(Graphene)作為一種新型的二維六方蜂巢結(jié)構(gòu)碳原子晶體，自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在全世界引起了廣泛的關(guān)注。石墨烯(Graphene)是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，在二維平面上每個(gè)碳原子以sp2雜化軌道相銜接，也就是每個(gè)碳原子與最近鄰的三個(gè)碳原子間形成三個(gè)σ鍵，剩余的一個(gè)ρ電子軌邀垂直于石墨烯平面，與周圍原子形成π鍵，碳原子問(wèn)相互圍成正六邊形的平面蜂窩形結(jié)構(gòu)，這樣在同一原子面上只有兩種空間位置相異的原子。實(shí)驗(yàn)證明石墨烯不僅具有非常出色的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，還具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)。石墨烯是零帶隙材料，其電子的有效質(zhì)量為零，并以106m/s的恒定速率運(yùn)動(dòng)，行為與光子相似，由此，石墨的理論電子遷移率高達(dá)200000cm7V · s，實(shí)驗(yàn)測(cè)得遷移率也超過(guò)15000cm2/V · s，是商業(yè)硅片中電子遷移率的10倍，并具有常溫整數(shù)量子霍爾效應(yīng)等新奇的物理性質(zhì)。正是其優(yōu)異的電學(xué)性能使發(fā)展石墨烯基的晶體管和集成電路成為可能，并有可能完全取代硅成為新一代的主流半導(dǎo)體材料。石墨烯本身是零帶隙材料，如果直接用其構(gòu)筑場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)器件，門(mén)控效果極其有限，難以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性。目前的一種解決方案是，把石墨烯裁剪成在橫向方向?yàn)橛邢蕹叽绲氖┘{米帶結(jié)構(gòu)，電子在橫向上受限，石墨烯納米帶則成為典型的準(zhǔn)一維系統(tǒng)， 由于量子限域效應(yīng)和邊緣效應(yīng)石墨烯的能隙被打開(kāi)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，鋸齒狀邊緣的石墨烯納米帶為半金屬，手扶椅狀邊緣的石墨烯納米帶可能為金屬也可能為半導(dǎo)體，只有石墨烯寬度降低到接近IOnm甚至IOnm以下時(shí)才表現(xiàn)出顯著的帶隙，無(wú)論邊緣的形狀如何，其能帶結(jié)構(gòu)都展現(xiàn)為半導(dǎo)體性能。但，現(xiàn)有的制備方法存在制備復(fù)雜、寬度不易控制等問(wèn)題。因此， 如何高效、可控地制備寬度接近甚至小于IOnm的石墨烯納米帶是當(dāng)前該領(lǐng)域的一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的重要研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯納米帶的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中在石墨烯納米帶的制備技術(shù)中制備復(fù)雜、寬度不易控制等問(wèn)題。本發(fā)明提供一種石墨烯納米帶的制備方法，包括提供過(guò)渡金屬基底；在所述過(guò)渡金屬基底表面涂布光刻膠，形成光刻膠層；通過(guò)曝光顯影將定義圖案轉(zhuǎn)移至所述光刻膠層上，形成光刻膠圖形；進(jìn)行碳離子注入工藝，以所述光刻膠層為掩膜，在所述過(guò)渡金屬基底內(nèi)進(jìn)行碳離子注入，形成碳離子注入?yún)^(qū)域；所述碳離子注入的注入角度是根據(jù)所需石墨烯寬度結(jié)合所述光刻膠層的掩膜厚度以及所述光刻膠圖形的寬度計(jì)算得到的；去除所述光刻膠層；進(jìn)行熱退火處理，將碳原子從所述過(guò)渡金屬基底的碳離子注入?yún)^(qū)域中析出重構(gòu)，在所述過(guò)渡金屬基底的表面形成寬度接近甚至小于IOnm的一維尺度受限的石墨烯納米帶?？蛇x地，所述過(guò)渡金屬基底中的金屬包括Ni、Ru、Ir、Pt、Co及其合金中的任一者?？蛇x地，所述過(guò)渡金屬基底作過(guò)表面平整化處理?？蛇x地，所述碳離子注入的注入角度為5度至45度?？蛇x地，所述碳離子的注入能量為IOkeV至200keV，注入劑量為l*1015/cnT2至 5*1016/cnT2?？蛇x地，所述熱退火處理包括在在真空環(huán)境或惰性氣氛保護(hù)下，將所述過(guò)渡金屬基底加熱到700°C至1200°C，保持5分鐘至60分鐘后冷卻降溫，將碳原子從所述過(guò)渡金屬基底的碳離子注入?yún)^(qū)域中析出重構(gòu)。本發(fā)明技術(shù)方案主要是利用在過(guò)渡金屬基底表面形成的光刻膠作為注入掩膜，并通過(guò)調(diào)整注入角度而將碳離子注入有針對(duì)性地注入至過(guò)渡金屬基底的特定區(qū)域而形成碳離子注入?yún)^(qū)域，再利用熱退火處理，將碳原子從碳離子注入?yún)^(qū)域析出重構(gòu)，從而在過(guò)渡金屬基底表面形成寬度接近甚至小于IOnm的一維尺度受限的石墨烯納米帶。另外，本發(fā)明提供的一種一維尺度受限的石墨烯納米帶的制備方法，具有制備精確、制備工藝流程簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明提供的一種一維尺度受限的石墨烯納米帶的制備方法的流程示意圖；圖2至圖7為按照?qǐng)D1所示的流程形成石墨烯納米帶的示意圖。
具體實(shí)施例方式在石墨烯納米帶的制備技術(shù)中，本發(fā)明的發(fā)明人對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新型的一維尺度受限的石墨烯納米帶的制備方法，其主要是是利用在過(guò)渡金屬基底表面利用光刻膠作為注入掩膜，并以計(jì)算得到的較佳注入角度將碳離子注入至過(guò)渡金屬基底的特定區(qū)域，并利用熱退火處理，將碳原子析出重構(gòu)，從而在過(guò)渡金屬基底表面形成寬度接近甚至小于IOnm的一維尺度受限的石墨烯納米帶。下面結(jié)合圖示更完整的描述本發(fā)明，本發(fā)明提供的優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例中。在圖中，為了更清楚的反應(yīng)結(jié)構(gòu)，適當(dāng)放大了層和區(qū)域的厚度， 但作為示意圖不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。參考圖是本發(fā)明的示意圖， 圖中的表示只是示意性質(zhì)的，不應(yīng)該被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。圖1為本發(fā)明石墨烯納米帶的制備方法的流程示意圖。如圖1所示，所述制備方法包括如下步驟S101，提供過(guò)渡金屬基底；
S103，在所述過(guò)渡金屬基底表面涂布光刻膠，形成光刻膠層；S105，通過(guò)曝光顯影將定義圖案轉(zhuǎn)移至所述光刻膠層上，形成光刻膠圖形；S107，進(jìn)行碳離子注入工藝，以光刻膠層為掩膜，在所述過(guò)渡金屬基底內(nèi)進(jìn)行碳離子注入；所述碳離子注入的注入角度是根據(jù)所需石墨烯寬度結(jié)合所述光刻膠層的掩膜厚度以及所述光刻膠圖形的寬度計(jì)算得到的；S109,去除所述光刻膠層；S111，進(jìn)行熱退火處理，將碳原子從所述過(guò)渡金屬基底的碳離子注入?yún)^(qū)域中析出重構(gòu)，在所述過(guò)渡金屬基底的表面形成寬度接近甚至小于IOnm的一維尺度受限的石墨烯納米帶。以下將通過(guò)具體實(shí)施例來(lái)對(duì)發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。首先執(zhí)行步驟S100，提供過(guò)渡金屬基底200，形成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，過(guò)渡金屬基底200中的金屬可以是鎳(Ni)、釕(Ru)、銥(Ir)、鉬(Pt)、鈷(Co)以及它們中的兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)成的合金中的任一者。步驟S103，在過(guò)渡金屬基底200表面涂布光刻膠，形成光刻膠層202，形成如圖3 所示的結(jié)構(gòu)。步驟S105，通過(guò)曝光顯影將定義圖案轉(zhuǎn)移至光刻膠層202上，形成光刻膠圖形，形成如圖4所示的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，上述步驟S105中，所述定義圖案可以先定義在掩膜版上，在在利用曝光顯影將所述掩膜版上的定義圖案轉(zhuǎn)移至光刻膠層202上，但并不以此為限，在其他情況下，無(wú)需借助掩膜版，直接將定義圖案轉(zhuǎn)移至光刻膠層202上，在此不再贅述。步驟S107，進(jìn)行碳離子注入工藝，以光刻膠層202為掩膜，在過(guò)渡金屬基底200內(nèi)進(jìn)行碳離子注入以形成碳離子注入?yún)^(qū)域204，形成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，碳離子注入工藝中的注入角度β是根據(jù)所需石墨烯寬度結(jié)合光刻膠層202的掩膜厚度以及光刻膠圖形的寬度計(jì)算得到的，在這里，所述注入角度β具體指的是注入方向與過(guò)渡金屬基底200的法線之間的夾角。由圖4所示，由于光刻膠層202的掩膜厚度以及注入角度β的存在，在過(guò)渡金屬基底200上就分為由碳離子注入的碳離子注入?yún)^(qū)域204和被光刻膠層202遮掩使得碳離子無(wú)法注入的遮掩區(qū)域206。具體來(lái)講，假設(shè)光刻膠202的掩膜厚度為H，光刻膠圖形的寬度為L(zhǎng)，注入?yún)^(qū)域204的寬度為W，遮掩區(qū)域206的
寬度為S，如此，tan夕即得到遮掩區(qū)域206的寬度S = Hgtan β，這樣，注入?yún)^(qū)域204
M
的寬度W = L-S = L-Hgtan β。因此，在光刻膠層202的掩膜厚度一定的情況下，我們可以通過(guò)調(diào)整注入角度β，決定碳離子注入?yún)^(qū)域204的大小。優(yōu)選地，所述碳離子注入的注入角度β為5度至45度。另外，在碳離子注入工藝中，碳離子的注入能量為IOkeV至200keV， 注入劑量為 l*1015/Cnr2 至 5*1016/Cnr2。經(jīng)過(guò)上述步驟S107，可以將碳離子注入到過(guò)渡金屬基底200的特定區(qū)域形成碳離子注入?yún)^(qū)域204。如圖4所示，可以看到，利用碳離子注入工藝，在過(guò)渡金屬基底200中形成了多個(gè)(兩個(gè)甚至以上)碳離子注入?yún)^(qū)域204。步驟S109，去除所述光刻膠層202，形成如圖6所示的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，所述去除光刻膠層202的方法可以采用灰化法，并將過(guò)渡金屬基底200表面清洗干凈，避免光刻膠殘留在過(guò)渡金屬表面。步驟S111，進(jìn)行熱退火處理，將碳原子從所述過(guò)渡金屬基底的碳離子注入?yún)^(qū)域中析出重構(gòu)，在所述過(guò)渡金屬基底的表面形成寬度接近甚至小于IOnm的一維尺度受限的石墨烯納米帶，形成如圖7所示的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，所述熱退火處理包括在在真空環(huán)境或惰性氣氛(例如He、Ne、或Ar)保護(hù)下，將過(guò)渡金屬基底200加熱到700°C至1200°C，并保持5分鐘至60分鐘后再冷卻降溫，這樣，就可將碳原子從過(guò)渡金屬基底200的碳離子注入?yún)^(qū)域204中析出重構(gòu)。經(jīng)過(guò)上述步驟S107，如圖7所示，可以看到，在過(guò)渡金屬基底200表面形成了多條 (兩個(gè)甚至以上)石墨烯納米帶。綜上所述，本發(fā)明提供的一種一維尺度受限的石墨烯納米帶的制備方法是利用在過(guò)渡金屬基底表面形成的光刻膠作為注入掩膜，并通過(guò)調(diào)整注入角度而將碳離子注入有針對(duì)性地注入至過(guò)渡金屬基底的特定區(qū)域而形成碳離子注入?yún)^(qū)域，再利用熱退火處理，將碳原子從碳離子注入?yún)^(qū)域析出重構(gòu)，從而在過(guò)渡金屬基底表面形成寬度接近甚至小于IOnm 的一維尺度受限的石墨烯納米帶。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的石墨烯納米帶的制備方法，具有制備精確、制備工藝流程簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高的優(yōu)點(diǎn)。上述實(shí)施例僅列示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書(shū)所列。
權(quán)利要求
1.一種一維尺度受限的石墨烯納米帶的制備方法，其特征在于，包括提供過(guò)渡金屬基底；在所述過(guò)渡金屬基底表面涂布光刻膠，形成光刻膠層；通過(guò)曝光顯影將定義圖案轉(zhuǎn)移至所述光刻膠層上，形成光刻膠圖形；進(jìn)行碳離子注入工藝，以所述光刻膠層為掩膜，在所述過(guò)渡金屬基底內(nèi)進(jìn)行碳離子注入，形成碳離子注入?yún)^(qū)域；所述碳離子注入的注入角度是根據(jù)所需石墨烯寬度結(jié)合所述光刻膠層的掩膜厚度以及所述光刻膠圖形的寬度計(jì)算得到的；去除所述光刻膠層；進(jìn)行熱退火處理，將碳原子從所述過(guò)渡金屬基底的碳離子注入?yún)^(qū)域中析出重構(gòu)，在所述過(guò)渡金屬基底的表面形成寬度接近甚至小于IOnm的一維尺度受限的石墨烯納米帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的石墨烯納米帶的制備方法，其特征在于，所述過(guò)渡金屬基底中的金屬包括Ni、Ru、Ir、Pt、Co及其合金中的任一者。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所示的石墨烯納米帶的制備方法，其特征在于，所述過(guò)渡金屬基底作過(guò)表面平整化處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所示的石墨烯納米帶的制備方法，其特征在于，所述碳離子注入的注入角度為5度至45度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所示的石墨烯納米帶的制備方法，其特征在于，所述碳離子的注入能量為 IOkeV 至 200keV，注入劑量為 l*1015/cnT2 至 5*1016/οιΓ2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所示的石墨烯納米帶的制備方法，其特征在于，所述熱退火處理包括在在真空環(huán)境或惰性氣氛保護(hù)下，將所述過(guò)渡金屬基底加熱到700°C至1200°C，保持5 分鐘至60分鐘后冷卻降溫，將碳原子從所述過(guò)渡金屬基底的碳離子注入?yún)^(qū)域中析出重構(gòu)。
全文摘要
一種一維尺度受限的石墨烯納米帶的制備方法，包括提供過(guò)渡金屬基底；在過(guò)渡金屬基底表面涂布光刻膠，形成光刻膠層；通過(guò)曝光顯影將定義圖案轉(zhuǎn)移至光刻膠層，形成光刻膠圖形；以光刻膠層為掩膜，在過(guò)渡金屬基底內(nèi)進(jìn)行碳離子注入，形成碳離子注入?yún)^(qū)域；碳離子注入的注入角度是根據(jù)所需石墨烯寬度結(jié)合光刻膠層的掩膜厚度以及光刻膠圖形的寬度計(jì)算得到的；去除光刻膠層；進(jìn)行熱退火處理，將碳原子從碳離子注入?yún)^(qū)域中析出重構(gòu)，在過(guò)渡金屬基底表面形成寬度接近甚至小于10nm的一維尺度受限的石墨烯納米帶。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過(guò)計(jì)算以特定的注入角度進(jìn)行碳離子注入，制備出石墨烯納米帶，具有制備精確、制備工藝流程簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/02GK102254795SQ20111017406
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者俞躍輝, 夏超, 張有為, 徐大偉, 王中健, 程新紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所