非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法
【專利摘要】一種非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，首先清洗非金屬襯底的表面，然后將其放入管式CVD系統(tǒng)中的高溫區(qū)部分；接著將爐溫在15-30分鐘內(nèi)升高到600-1000℃之間，并該過程中通入空氣，并在上述溫度范圍內(nèi)維持20-60分鐘，隨后緩慢降低爐溫，使其達(dá)到室溫；然后將爐內(nèi)空氣排除干凈；接著在以氫氣和高純氬氣為載氣的情況下，于40-120分鐘的時(shí)間內(nèi)將爐溫升高到1050-1500℃之間，并將非金屬襯底在該溫度下保持10-30分鐘；然后通入含碳、氮源的氣體進(jìn)行氮摻雜石墨烯的生長，并在該溫度下維持30-300分鐘；最后停止加熱，將爐溫緩慢降低到室溫。該方法避免了后續(xù)轉(zhuǎn)移過程中雜質(zhì)的引入。
【專利說明】非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一種制備石墨烯的方法，具體的涉及一種制備氮摻雜石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于硅基集成電路性能提高面臨著進(jìn)一步的理論限制，眾多研究人員已經(jīng)將精力轉(zhuǎn)向非硅基材料以便發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用于提高下一代電子器件性能的獨(dú)特材料。碳納米材料在取代硅電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】具有較高的希望。
[0003]最近石墨烯由于其完美的二維碳原子晶體結(jié)構(gòu)所具有的獨(dú)特的物理性能及其作為后硅基納米電子器件領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值而引起了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯是石墨的單碳原子層結(jié)構(gòu)，其中的碳原子骨架排布成二維六邊形零帶隙半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。石墨烯極高的載流子遷移率(2 X IO5Cm2..V-1.^S-1)使其在高頻晶體管領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。另一方面，利用石墨烯作為半導(dǎo)體溝道的場效應(yīng)晶體管缺乏帶隙，不具有調(diào)控電學(xué)性能的功能，限制了其在場效應(yīng)晶體管領(lǐng)域的應(yīng)用?；诖耍姸嘌芯拷M通過在石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)中摻入雜原子的方法改變其電學(xué)性能，從而獲得具有半導(dǎo)體電學(xué)特征的石墨烯膜材料。化學(xué)摻雜通常是利用雜原子取代石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的碳原子，通過摻雜可以有效的改變石墨烯的狄拉克點(diǎn)位置向負(fù)極或者正極方向移動(dòng)，從而獲得η型或者P型電學(xué)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管。
[0004]由于P型石墨烯場效應(yīng)晶體管很容易在空氣或者氧氣中得到，因此如何制備η型場效應(yīng)晶體管作為對P型晶體管的補(bǔ)充就顯得極為重要。
[0005]目前研究人員已 經(jīng)發(fā)明了大量的方法將氮原子作為雜原子摻雜進(jìn)石墨烯網(wǎng)絡(luò)的方法。氮原子的孤對電子對石墨烯產(chǎn)生具有η型電學(xué)特征的高電子遷移率起到重要的作用，通過向石墨烯網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)孤對電子可以有效的調(diào)控其電學(xué)特性。
[0006]目前制備氮摻雜石墨烯的方法主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD)，溶劑熱法，電熱摻雜法等，其中CVD法被大量用來制備大面積高質(zhì)量氮摻雜石墨烯膜材料。這些利用CVD法制備的氮摻雜石墨烯主要是以過渡金屬襯底作為催化劑，如銅箔等。利用銅箔作為催化劑盡管所制備的氮摻雜石墨烯質(zhì)量較高，且具有大面積均一特性，但是由于是生長在金屬襯底表面，無法直接應(yīng)用到電子器件中，因此需要首先將所獲得的石墨烯通過中間媒介如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等轉(zhuǎn)移到特定的襯底上。由于在轉(zhuǎn)移之前需要將所用的銅催化劑等在氯化鐵或者硝酸鐵中刻蝕掉，該過程會引入大量雜質(zhì)，另外，在利用丙酮將媒介PMMA洗去過程中，由于PMMA不能完全去除干凈，因此亦會在氮摻雜石墨烯的表面殘留大量的雜質(zhì)？那么我們?nèi)绾谓鉀Q石墨烯轉(zhuǎn)移過程中雜質(zhì)的引入這個(gè)問題呢？最好的方法就是生長過程中不采用銅等金屬催化劑，而是在非金屬襯底表面直接生長氮摻雜石墨烯。
[0007]因此如何實(shí)現(xiàn)在非金屬襯底表面直接制備氮摻雜石墨烯是目前該研究領(lǐng)域熱點(diǎn)。這種技術(shù)具有環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，對降低氮摻雜石墨烯的應(yīng)用成本，實(shí)現(xiàn)氮摻雜石墨烯在高性能電子器件等方面的應(yīng)用具有巨大的推動(dòng)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種在非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法。該方法可以省去通常制備氮摻雜石墨烯后的轉(zhuǎn)移過程，避免了后續(xù)轉(zhuǎn)移過程中雜質(zhì)的引入，既環(huán)保又可以降低其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用成本。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0010]一種非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟I)清洗具有一定表面形貌特征的非金屬襯底的表面；
[0012]步驟2)在所述非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯膜，主要包括以下步驟:
[0013]207)將所述的清洗干凈的非金屬襯底放入管式CVD系統(tǒng)中的高溫區(qū)部分；
[0014]208)將爐溫在15-30分鐘內(nèi)升高到600-1000°C之間，并該過程中通入空氣，并在爐溫達(dá)到所設(shè)定600-1000°C溫度之間后維持20-60分鐘，隨后緩慢降低爐溫，使其達(dá)到室溫；
[0015]209)將爐內(nèi)空氣排除干凈；
[0016]210)在以氫氣和高純氬氣為載氣的情況下，于40-120分鐘的時(shí)間內(nèi)將爐溫升高到1050-1500°C之間，并將所述非金屬襯底在該溫度下保持10-30分鐘；
[0017]211)通入含碳、氮源的氣體進(jìn)行氮摻雜石墨烯的生長，并在1050-1500°C溫度下維持30-300分鐘；
[0018]212)停止加熱，將爐溫緩慢降低到室溫。
[0019]進(jìn)一步的，步驟I的具體方法如下:將所述非金屬襯底置于硫酸/雙氧水(70/30)溶液中進(jìn)行蒸煮一段時(shí)間；或者是，將所非金屬襯底首先利用洗潔精反復(fù)搓洗，隨后分別依次放入溶有洗潔精的自來水，自來水，二次水，乙醇溶液及丙酮溶液中超聲處理一段時(shí)間，然后從丙酮溶液中取出烘干；或者是，上述兩種方法并用。
[0020]進(jìn)一步的，步驟203的具體方法如下:用真空泵將所述管式CVD系統(tǒng)中的壓強(qiáng)控制在IOmTorr以下的低壓狀態(tài)，然后充入高純氬氣至常壓，隨后再用真空泵將其壓強(qiáng)降低到IOmTorr以下，如此反復(fù)若干次，以便將管內(nèi)的空氣盡可能處理干凈；或者是，直接向所述管式CVD系統(tǒng)中通入500sccm的高純氬氣30分鐘以便盡可能將爐內(nèi)空氣排除干凈；或者是，上述兩種方法并用。
[0021]優(yōu)選的，步驟204中的將爐溫升高到1100-1300°C之間。
[0022]優(yōu)選的，步驟205中所述含碳、氮源的氣體為甲烷及氨氣；所述甲烷的通入流量為l-30sccm,所述氨氣的通入流量為10_50sccm。
[0023]優(yōu)選的，所述非金屬襯底為平面結(jié)構(gòu)、曲面結(jié)構(gòu)或三維立體結(jié)構(gòu)。
[0024]優(yōu)選的，所述非金屬襯底為凹面或凸面鏡結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)、光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、光子晶體結(jié)構(gòu)或漁網(wǎng)狀人工超材料結(jié)構(gòu)。
[0025]優(yōu)選的，所述非金屬襯底為硅基底、二氧化硅基底、氮化硅基底或藍(lán)寶石基底。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
[0027]1、本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，無需在減壓條件下進(jìn)行，降低了設(shè)備成本，且所制備的氮摻雜石墨烯膜缺陷密度較低，具有較高的質(zhì)量；
[0028]2、本發(fā)明所制備的氮摻雜石墨烯膜的尺寸僅受限于爐內(nèi)空間的大小，因此可以大面積的制備所需要尺寸的氮摻雜石墨烯膜。
[0029]3、本發(fā)明由于是直接在非金屬襯底表面進(jìn)行氮摻雜石墨烯的生長，因此省去了中間的轉(zhuǎn)移過程，避免了化學(xué)試劑的使用同時(shí)避免了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移過程中雜質(zhì)的引入，另外該發(fā)明方法降低了相應(yīng)電子器件的制備成本，使得整個(gè)過程更環(huán)保，更節(jié)能，更具實(shí)用。
[0030]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0032]圖1是用于本發(fā)明的在非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的CVD系統(tǒng)裝置示意圖。
[0033]圖2為本發(fā)明在非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的生長過程示意圖。
[0034]圖3為本發(fā)明在非金屬襯底表面制備的氮摻雜石墨烯的拉曼光譜圖。
[0035]圖中標(biāo)號說明:1、非金屬襯底，2、管式爐,3、石英管,4、甲燒,5、氨氣,6、尾氣出口。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0037]實(shí)施例1:
[0038]利用如圖1所示的CVD系統(tǒng)裝置，在非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，所述非金屬襯底為二氧化硅/硅 襯底，主要包括以下步驟:
[0039]第I階段，首先，將具有200-500納米厚度二氧化硅層的硅襯底放入硫酸/雙氧水中進(jìn)行蒸煮半小時(shí)，取出后依次用去離子水，乙醇及丙酮反復(fù)沖洗，并放入烘箱中于80°C烘干，以便盡可能去除襯底表面雜質(zhì)。
[0040]第2階段，將清洗后的非金屬襯底放入管式CVD系統(tǒng)的高溫區(qū)部分，向爐內(nèi)通入空氣，同時(shí)將高溫爐在20分鐘內(nèi)加熱到800°C，并在該溫度狀態(tài)下保持60分鐘，隨后停止加熱，將爐溫緩慢降低到室溫。
[0041]第3階段，首先向管式CVD系統(tǒng)中通入500sCCm的高純氬氣30分鐘以便盡可能的驅(qū)趕其內(nèi)部空氣，隨后將氬氣流量調(diào)節(jié)為200SCCm，并通入50SCCm的氫氣作為載氣，緊接著將高溫爐進(jìn)行加熱，使其溫度在60分鐘內(nèi)升高到1100°C，并在該溫度下保持20分鐘。
[0042]第4階段，在上述高純氬氣及氫氣作為載氣的情況下，向CVD系統(tǒng)中通入IOsccm的甲烷以及20sCCm的氨氣作為碳、氮源120分鐘，隨后停止通入甲烷及氨氣，并停止加熱，使溫度緩慢降低到室溫而后取出樣品。
[0043]如圖2所示為本發(fā)明在非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的生長過程示意圖。實(shí)驗(yàn)所獲得樣品的拉曼光譜如圖3所示，通過對拉曼光譜圖的分析可知，所制備的氮摻雜石墨烯為少數(shù)層結(jié)構(gòu)，并且具有一定程度的缺陷。該缺陷是由于氮雜原子摻雜進(jìn)入石墨烯結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成的。
[0044]實(shí)施例2:
[0045]按實(shí)施例1的制備方法，將非金屬二氧化硅襯底改為氮化硅襯底，且該襯底可以選擇不利用硫酸/雙氧水或者洗潔精、水、乙醇及丙酮等對其表面雜質(zhì)進(jìn)行處理，所獲得的氮摻雜石墨烯膜為少數(shù)層結(jié)構(gòu)，且具有較高的均勻性。
[0046]實(shí)施例3:
[0047]按實(shí)施例1的制備方法，將非金屬二氧化硅襯底改為藍(lán)寶石襯底，且該襯底可以選擇不利用硫酸/雙氧水或者洗潔精、水、乙醇及丙酮等對其表面雜質(zhì)進(jìn)行處理，所獲得的氮摻雜石墨烯膜為少數(shù)層結(jié)構(gòu)，且具有較高的均勻性。
[0048]實(shí)施例4:
[0049]按實(shí)施例1的制備方法，將非金屬二氧化硅襯底改為具有曲面或者三維結(jié)構(gòu)表面的襯底，所獲得的氮摻雜石墨烯膜為少數(shù)層結(jié)構(gòu)，且具有較高的均勻性。
[0050]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、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】
1.一種非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1)清洗具有一定表面形貌特征的非金屬襯底的表面； 步驟2)在所述非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯膜，主要包括以下步驟: 201)將所述的清洗干凈的非金屬襯底放入管式CVD系統(tǒng)中的高溫區(qū)部分； 202)將爐溫在15-30分鐘內(nèi)升高到600-1000°C之間，并該過程中通入空氣，并在爐溫達(dá)到所設(shè)定600-1000°C溫度之間后維持20-60分鐘，隨后緩慢降低爐溫，使其達(dá)到室溫； 203)將爐內(nèi)空氣排除干凈； 204)在以氫氣和高純氬氣為載氣的情況下，于40-120分鐘的時(shí)間內(nèi)將爐溫升高到1050-1500°C之間，并將所述非金屬襯底在該溫度下保持10-30分鐘； 205)通入含碳、氮源的氣體進(jìn)行氮摻雜石墨烯的生長，并在1050-1500°C溫度下維持30-300 分鐘； 206)停止加熱，將爐溫緩慢降低到室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于，步驟I的具體方法如下:將所述非金屬襯底置于硫酸/雙氧水(70/30)溶液中進(jìn)行蒸煮一段時(shí)間；或者是，將所非金屬襯底首先利用洗潔精反復(fù)搓洗，隨后分別依次放入溶有洗潔精的自來水，自來水，二次水，乙醇溶液及丙酮溶液中超聲處理一段時(shí)間，然后從丙酮溶液中取出烘干；或者是，上述兩種方法并用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于，步驟203的具體方法如下:用真空泵將所述管式CVD系統(tǒng)中的壓強(qiáng)控制在IOmTorr以下的低壓狀態(tài)，然后充入高純氬氣至常壓，隨后再用真空泵將其壓強(qiáng)降低到IOmTorr以下，如此反復(fù)若干次，以便將管內(nèi)的空氣盡可能處理干凈；或者是，直接向所述管式CVD系統(tǒng)中通入500sccm的高純氬氣30分鐘以便盡可能將爐內(nèi)空氣排除干凈；或者是，上述兩種方法并用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于，步驟204中的將爐溫升高到1100-1300°C之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于，步驟205中所述含碳、氮源的氣體為甲烷及氨氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于，所述甲烷的通入流量為l-30SCCm ;所述氨氣的通入流量為10-50sCCm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:所述非金屬襯底為平面結(jié)構(gòu)、曲面結(jié)構(gòu)或三維立體結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:所述非金屬襯底為凹面或凸面鏡結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)、光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、光子晶體結(jié)構(gòu)或漁網(wǎng)狀人工超材料結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7或8所述的非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:所述非金屬襯底為娃基底、二氧化娃基底、氣化娃基底或監(jiān)寶石基底。
【文檔編號】C23C16/26GK103526182SQ201310518327
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】鮑橋梁 申請人:鮑橋梁