專利名稱：一種多層石墨烯的減薄方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石墨烯器件制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多層石墨烯的減薄方法。
背景技術(shù)：
硅納米材料一般在尺寸小于IOnm線寬時(shí)，由于受到一些物理因素的制約，因此會(huì)在器件制備過(guò)程中受到很大的限制。按照目前的技術(shù)水平，當(dāng)硅納米材料的尺寸小于IOnm線寬后，制備的器件性能很不穩(wěn)定；同時(shí)，由于存在噪聲不能達(dá)到較高的集成度，因此使目前納米器件的高速度還不能完全得以突破，這就迫使人們?nèi)ヌ剿餍乱淮碾娮悠骷?。作為二維材料體系的石墨烯，因其具有體積小、形狀可控、電子的運(yùn)動(dòng)速度快(可達(dá)到光速的1/300)、以及單電子晶體管在室溫下可運(yùn)作等一些非常優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。早期對(duì)這種材料的研究只局限在理論方面，自從2004年石墨烯的成功制備，使得人們尋找到了一種可以替代傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體材料的新型納米半導(dǎo)體材料。目前，普遍認(rèn)為石墨烯在晶體管制備方面有著非常廣闊的發(fā)展前景，尤其是單層石墨烯內(nèi)部的電子不會(huì)發(fā)生散射，可以在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶格中自由移動(dòng)，利用這種特殊的性質(zhì)，可以制備出轉(zhuǎn)換速度極高的晶體管，從而提高器件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，對(duì)未來(lái)的科技發(fā)展有著很大地推動(dòng)作用，理論上的可發(fā)展性目前已經(jīng)被研究者們實(shí)施，基于單層膜結(jié)構(gòu)的納米半導(dǎo)體晶體管已經(jīng)出現(xiàn)。石墨烯的發(fā)現(xiàn)者英國(guó)曼切斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系的安德烈· K ·海姆教授和科斯佳·諾沃謝洛夫開發(fā)出來(lái)了尺寸僅I個(gè)原子厚、10個(gè)原子寬的世界上最小的晶體管。這標(biāo)志著人們向制造可靠的納米級(jí)超小型晶體管的方向邁出了重要的一步。石墨烯因其優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能，使其有可能成為組建納米電子器件的最佳材料。在納米電子器件方面，石墨烯的可能應(yīng)用包括超高速計(jì)算機(jī)芯片、太陽(yáng)能電池的透明電極、納米傳感器和儲(chǔ)能材料等等。目前使用硅原料的計(jì)算機(jī)芯片在進(jìn)一步微型化過(guò)程中，因硅在微小尺寸下變得很不穩(wěn)定而遇到技術(shù)瓶頸，如果石墨烯薄膜解決了這個(gè)問(wèn)題，那么就可以使用石墨烯薄膜來(lái)生產(chǎn)超高速計(jì)算機(jī)芯片，這樣勢(shì)必會(huì)加快計(jì)算機(jī)芯片微型化的腳步，并大幅提升運(yùn)算速度。石墨烯可用作太陽(yáng)能電池的透明電極，也可將其放在Si襯底上并沉積金屬電極來(lái)做晶體管。傳感器和鏗電池中的陽(yáng)極材料也都有可能會(huì)受益于石墨烯。另外，太陽(yáng)能電池、液晶顯示器、抗靜電涂層、聚合物復(fù)合材料及透明薄膜等方面石墨烯也都存在著潛在的應(yīng)用價(jià)值。目前石墨烯制備最常用的方法有微機(jī)械剝離法、液相剝離法、金屬襯底上CVD方法生長(zhǎng)、SiC外延法等。然而這些方法在獲取單層石墨烯方面都具有一定的隨機(jī)性，有時(shí)還需要用到大量的化學(xué)藥品或者需要苛刻的實(shí)驗(yàn)條件。等離子體技術(shù)是一種較為有效的大規(guī)模和大面積制備單層以及寡層石墨烯的方法。其中，H2O2等離子體可以用來(lái)制備寡層石墨烯，H-N等離子體可以刻蝕寡層石墨烯至單層石墨烯。但是這些等離子減薄方法通常都是利用具有反應(yīng)活性的原子，例如氣體或者等離子體中的O或者H原子來(lái)刻蝕石墨烯基面中的C原子，這種反應(yīng)刻蝕方式的刻蝕速率是與石墨烯厚度緊密相關(guān)的，并且還會(huì)在石墨烯基面引入官能團(tuán)，最終會(huì)導(dǎo)致刻蝕后的石墨烯存在較深的刻蝕坑，而且在橫向尺寸上出現(xiàn)較大損失，這些都會(huì)在制備的石墨烯中引入大量的缺陷，限制其在器件方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有多層石墨烯減薄過(guò)中的刻蝕速率不可控、橫向尺寸損失嚴(yán)重、產(chǎn)生較深的刻蝕坑等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種多層石墨烯的減薄方法，所述方法包括將多層石墨烯樣品放入等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的腔室內(nèi)；調(diào)整所述等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，向所述等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備通入惰性氣體；利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，對(duì)所述多層石墨烯樣品逐層濺射減?。辉诒Ｗo(hù)氣的作用下，將減薄后的石墨烯樣品放入高溫退火爐中退火，并冷卻至室溫。所述工藝參數(shù)包括腔室的等離子體電源的射頻功率和脈沖偏置電壓、惰性氣體的流量和壓強(qiáng)、以及等離子體注入時(shí)間。所述等離子體電源的射頻功率為5 400W、脈沖偏置電壓為O 1000V，惰性氣體的流量為10 300sccm、壓強(qiáng)為O. 5 10Pa，等離子體注入時(shí)間為O. 5 30分鐘。所述惰性氣體包括氦氣、氖氣和氬氣中的一種或多種。所述保護(hù)氣為氮?dú)?，所述氮?dú)獾牧髁繛? 10L/min ;所述退火的溫度為400 1000°C、退火時(shí)間為10 30分鐘。本發(fā)明通過(guò)等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，對(duì)石墨烯的各向異性進(jìn)行濺射減薄，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層石墨烯進(jìn)行逐層和數(shù)層精確的去除減薄，并且使石墨烯保持原有的橫向尺寸，并且沒(méi)有明顯的刻蝕坑，保留了減薄后石墨烯的優(yōu)良性能。


圖I是本實(shí)施例
圖2是本實(shí)施例
圖3是本實(shí)施例
圖4是本實(shí)施例
圖5是本實(shí)施例
圖6是本實(shí)施例
圖7是本實(shí)施例
I提供的多層石墨烯的減薄方法流程I機(jī)械剝離多層石墨烯的光學(xué)照片；
I多層石墨烯減薄成較薄的多層石墨烯的光學(xué)照片；I多層石墨烯進(jìn)一步減薄成寡層石墨烯的光學(xué)照片；2提供的雙層石墨烯的減薄方法流程2機(jī)械剝離雙層石墨烯的原子力顯微鏡照片；
2被減薄成的單層石墨烯的原子力顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。實(shí)施例I參見圖1，本實(shí)施例提供了一種多層石墨烯的減薄方法，包括如下步驟步驟101 :將多層石墨烯樣品放入等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的腔室內(nèi)；本實(shí)施例中的多層石墨烯樣品，是以高定向熱解石墨(HOPG, HighlyOrientedPyrolytic Graphite)為原料,在厚度為300nm的Si02/Si襯底上通過(guò)微機(jī)械剝離法而得到的多層石墨烯，該多層石墨烯的厚度大于50nm，本實(shí)施例是對(duì)該厚度的多層石墨烯進(jìn)行的減薄處理；此外，本實(shí)施例中的多層石墨烯還可以是通過(guò)液相剝離制備的多層石墨烯，或CVD方法在不同襯底上生長(zhǎng)的多層石墨烯，或CVD方法制備后轉(zhuǎn)移到其他襯底上的多層石墨烯，或SiC外延制備的多層石墨烯，或其他制備方法所生長(zhǎng)的兩層以上的石墨烯；步驟102 :調(diào)整等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，向等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備通入惰性氣體；在本實(shí)施例中，等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備，通常也被稱為等離子體浸沒(méi)離子注入機(jī)，其一般地包括注入腔室和等離子體源；在注入腔室內(nèi)，設(shè)有其上可放置樣品的樣品臺(tái)，在與樣品臺(tái)相對(duì)的一側(cè)，設(shè)有等離子體源；所需調(diào)整的等離子體注入設(shè)備的工藝參數(shù)包括腔室的等離子體電源的射頻功率和脈沖偏置電壓、惰性氣體的流量和壓強(qiáng)、以及等離子體注入時(shí)間，等離子體電源的射頻功率為5 400W、脈沖偏置電壓為O 1000V，惰性氣體的流量為10 300sccm、壓強(qiáng)為O. 5 10Pa，等離子體注入時(shí)間為O. 5 30分鐘；向等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備通入的惰性氣體包括氦氣、氖氣和IS氣中的一種或多種，優(yōu)選地，本實(shí)施例選用氦氣通入腔室；步驟103 :利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，對(duì)多層石墨烯樣品逐層濺射減??；優(yōu)選地，本實(shí)施例所選用的氦氣的流量為200sccm、壓強(qiáng)為O. 3Pa，等離子體電源的射頻功率為400W、脈沖偏置電壓為100V，等離子體注入時(shí)間為20分鐘，等離子體腔室的溫度為室溫；利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，對(duì)多層石墨烯樣品進(jìn)行逐層濺射減薄，減薄后的石墨稀樣品的厚度小于IOnm ；步驟104 :在保護(hù)氣的作用下，將減薄后的石墨烯樣品放入高溫退火爐中退火，并冷卻至室溫；在保護(hù)氣的作用下，將厚度小于IOnm的石墨烯樣品放入高溫退火爐中退火；其中，退火過(guò)程所使用的保護(hù)氣為高純度氮?dú)?N2的純度大于99. 9999%)，氮?dú)獾牧髁繛? 10L/min ;退火的溫度為400 1000°C、退火時(shí)間為10 30分鐘；優(yōu)選地，本實(shí)施例中氮?dú)獾牧髁繛?0L/min，高溫退火爐在10秒內(nèi)快速升溫到900°C，退火時(shí)間為15分鐘；高溫退火后，石墨烯樣品隨著退火爐自然冷卻到室溫。通過(guò)本實(shí)施例的工藝過(guò)程，使得多層石墨烯(厚度大于50nm)變?yōu)楣褜邮?厚度小于10nm)。圖2 4示出了多層石墨烯減薄過(guò)程的光學(xué)照片，由照片的對(duì)比度可以看出，多層石墨烯(厚度大于50nm)先變?yōu)檩^薄多層石墨烯(厚度大于>20nm),最后減薄為寡層石墨烯(厚度〈10nm)。實(shí)施例2參見圖5，本實(shí)施例提供了一種雙層石墨烯的減薄方法，包括如下步驟步驟201 :將雙層石墨烯樣品放入等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的腔室內(nèi)；本實(shí)施例中的雙層石墨烯樣品，是以高定向熱解石墨(HOPG，HighlyOrientedPyrolytic Graphite)為原料,在厚度為300nm的Si02/Si襯底上通過(guò)微機(jī)械剝離法而得到的雙層石墨稀，本實(shí)施例是對(duì)雙層石墨稀進(jìn)彳丁減薄處理；此外，本實(shí)施例中的雙層石墨稀還可以是通過(guò)液相剝離制備的雙層石墨烯，或CVD方法在不同襯底上生長(zhǎng)的雙層石墨烯，或CVD方法制備后轉(zhuǎn)移到其他襯底上的雙層石墨烯，或SiC外延制備的雙層石墨烯，或其他制備方法所生長(zhǎng)的雙層石墨烯；步驟202 :調(diào)整等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，向等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備通入惰性氣體；在本實(shí)施例中，等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備，通常也被稱為等離子體浸沒(méi)離子注入機(jī)，其一般地包括注入腔室和等離子體源；在注入腔室內(nèi)，設(shè)有其上可放置樣品的樣品臺(tái)，在與樣品臺(tái)相對(duì)的一側(cè)，設(shè)有等離子體源；所需調(diào)整的等離子體注入設(shè)備的工藝參數(shù)包括腔室的等離子體電源的射頻功率和脈沖偏置電壓、惰性氣體的流量和壓強(qiáng)、以及等離子體注入時(shí)間，等離子體電源的射頻功率為5 400W、脈沖偏置電壓為O 1000V，惰性氣體的流量為10 300sccm、壓強(qiáng)為O. 5 10Pa，等離子體注入時(shí)間為O. 5 30分鐘；向等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備通入的惰性氣體包括氦氣、氖氣和IS氣中的一種或多種，優(yōu)選地，本實(shí)施例選用氦氣通入腔室；步驟203 :利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，對(duì)雙層石墨烯樣品進(jìn)行濺射減薄；優(yōu)選地，本實(shí)施例所選用的氦氣的流量為80sccm、壓強(qiáng)為O. IPa，等離子體電源的射頻功率為50W、脈沖偏置電壓為100V，等離子體注入時(shí)間為I分鐘，等離子體腔室的溫度為室溫；利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，對(duì)雙層石墨烯樣品進(jìn)行濺射減薄，減薄后的石墨烯樣品的厚度小于IOnm ；步驟204 :在保護(hù)氣的作用下，將減薄后的石墨烯樣品放入高溫退火爐中退火，并冷卻至室溫；在保護(hù)氣的作用下，將厚度小于IOnm的石墨烯樣品放入高溫退火爐中退火；其中，退火過(guò)程所使用的保護(hù)氣為高純度氮?dú)?N2的純度大于99. 9999%)，氮?dú)獾牧髁繛? 10L/min ;退火的溫度為400 1000°C、退火時(shí)間為10 30分鐘；優(yōu)選地，本實(shí)施例中氮?dú)獾牧髁繛?0L/min，高溫退火爐在10秒內(nèi)快速升溫到900°C，退火時(shí)間為8分鐘；高溫退火后，石墨烯樣品隨著退火爐自然冷卻到室溫。通過(guò)本實(shí)施例的工藝過(guò)程，使得雙層石墨烯變?yōu)閱螌邮?厚度小于10nm)。圖6和7分別示出了雙層石墨烯和單層石墨烯的原子力顯微鏡照片，由照片可以看出，雙層石墨烯的厚度減薄為I個(gè)原子層，得到了單層石墨烯。本發(fā)明實(shí)施例提供的多層石墨烯的減薄方法，采用惰性氣體等離子體直接將多層石墨烯表層碳原子濺射掉，實(shí)現(xiàn)了高度各向異性的刻蝕，保留了石墨烯原有的橫向尺寸，同時(shí)也避免了引入其他基團(tuán)，最大限度地保持了石墨烯的質(zhì)量。本發(fā)明實(shí)施例的減薄方法，能夠準(zhǔn)確地將任意厚度的多層石墨烯減薄至任意指定厚度，并且減薄的速率精確可控；同時(shí)，高溫退火過(guò)程能夠?qū)κ┻M(jìn)行修復(fù)，從而能夠在減薄的同時(shí)最大程度地保持石墨烯特性。本發(fā)明實(shí)施例的減薄方法的工藝流程簡(jiǎn)單，所使用的設(shè)備與微電子工藝設(shè)備兼容，不需要大量的人工勞動(dòng)力，重復(fù)性好，可以廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化批量生產(chǎn)石墨烯晶片，這對(duì)研究石墨烯的基本性質(zhì)、開發(fā)基于石墨烯的電子器件以及集成電路有著重要的影響。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多層石墨烯的減薄方法，其特征在于，所述方法包括將多層石墨烯樣品放入等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的腔室內(nèi)；調(diào)整所述等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，向所述等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備通入惰性氣體；利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，對(duì)所述多層石墨烯樣品逐層濺射減薄；在保護(hù)氣的作用下，將減薄后的石墨烯樣品放入高溫退火爐中退火，并冷卻至室溫。
2.如權(quán)利要求I所述的多層石墨烯的減薄方法，其特征在于，所述工藝參數(shù)包括腔室的等離子體電源的射頻功率和脈沖偏置電壓、惰性氣體的流量和壓強(qiáng)、以及等離子體注入時(shí)間。
3.如權(quán)利要求2所述的多層石墨烯的減薄方法，其特征在于，所述等離子體電源的射頻功率為5 400W、脈沖偏置電壓為O 1000V，惰性氣體的流量為10 300sccm、壓強(qiáng)為O.5 10Pa，等離子體注入時(shí)間為O. 5 30分鐘。
4.如權(quán)利要求I所述的多層石墨烯的減薄方法，其特征在于，所述惰性氣體包括氦氣、 氖氣和氬氣中的一種或多種。
5.如權(quán)利要求I所述的多層石墨烯的減薄方法，其特征在于，所述保護(hù)氣為氮?dú)猓龅獨(dú)獾牧髁繛? 10L/min ;所述退火的溫度為400 1000°C、退火時(shí)間為10 30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層石墨烯的減薄方法，屬于石墨烯器件制備技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括將多層石墨烯樣品放入等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的腔室內(nèi)；調(diào)整等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備的工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定的工作范圍，向等離子體浸沒(méi)離子注入設(shè)備通入惰性氣體；利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，對(duì)多層石墨烯樣品逐層濺射減?。辉诒Ｗo(hù)氣的作用下，將減薄后的石墨烯樣品放入高溫退火爐中退火，并冷卻至室溫。本發(fā)明提供的多層石墨烯的減薄方法，能夠?qū)Χ鄬邮┑暮穸冗M(jìn)行精確調(diào)整，尤其是能夠?qū)θ我夂穸鹊氖┻M(jìn)行減薄處理。
文檔編號(hào)H01L21/04GK102931055SQ20121038252
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者羅巍, 解婧, 李超波, 夏洋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所