本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的方法。

背景技術(shù)：

富勒烯材料是碳元素的一種特殊的同素異形體材料，其由碳原子六元環(huán)和五元環(huán)按照一定的規(guī)律排列構(gòu)成封閉的球殼狀結(jié)構(gòu)。典型的富勒烯材料如c60由60個碳原子構(gòu)成。此外還有由更多碳原子構(gòu)成的富勒烯結(jié)構(gòu)。還有由多層富勒烯套購而成的多層富勒烯結(jié)構(gòu)，比如雙層、三層等等富勒烯結(jié)構(gòu)。富勒烯材料自從被發(fā)現(xiàn)以來即得到了廣泛的研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著尺寸、層數(shù)和摻雜特性的區(qū)別，富勒烯可能具有不同的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)，可能可以應(yīng)用于不同領(lǐng)域的用途。比如，富勒烯的抗輻照性質(zhì)使其可以應(yīng)用于高精度的電子束光刻，其良好的光學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)穩(wěn)定性可以使其應(yīng)用于太陽能電池。此外，由于富勒烯結(jié)構(gòu)特有的穩(wěn)定性和小尺寸，其可能可以應(yīng)用于原子力顯微鏡的針尖，或者用于構(gòu)建分子級別尺寸的半導(dǎo)體器件。特別的，在這些特定的應(yīng)用領(lǐng)域，需要在納米尺度的精度在特定或者指定的位置制備單個的富勒烯材料，以實現(xiàn)優(yōu)良的功能。

但是，目前制備富勒烯材料的方法通常是電弧放電、高溫反應(yīng)、電化學(xué)聚合等。這些方法只能夠制備較大量的富勒烯材料，無法實現(xiàn)在納米尺度的精度制備單個的富勒烯材料。如果要將已經(jīng)制備好的富勒烯材料放置到特定的位置，往往非常難以實現(xiàn)，或者實現(xiàn)的成本非常高昂。在目前情況下，針對這些高性能、高要求的應(yīng)用場合，急需發(fā)展一種能夠在半導(dǎo)體表面納米尺度精度下實現(xiàn)定點、單個、可控尺寸和結(jié)構(gòu)的富勒烯制備方法，以形成具有各種不同功能的富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)中只能制備較大量的富勒烯材料，無法實現(xiàn)納米尺度的精度制備單個富勒烯材料、并且不能在半導(dǎo)體襯底表面指定的位置制備富勒烯材料等問題，本發(fā)明提出一種制備富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的方法，利用電子顯微加工在納米尺度精度下實現(xiàn)在半導(dǎo)體表面定點、單個、可控尺寸和結(jié)構(gòu)的富勒烯制備方法，以非晶碳材料為原料，利用電子束誘導(dǎo)的材料生長和修飾機理，可以實現(xiàn)在小于10納米定位精度的情況下制備尺寸小于10納米的單層、雙層和三層等不同層數(shù)的富勒烯結(jié)構(gòu)。

技術(shù)方案：一種制備富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的方法，所述方法包括以下步驟：

第一步：對半導(dǎo)體襯底進行表面清洗，以濺射或者蒸發(fā)的方法在半導(dǎo)體襯底表面制備一層厚度為1~5nm的非晶碳薄膜；

第二步：將第一步制備的帶有非晶碳薄膜的襯底放入電子顯微鏡的真空腔體內(nèi)；

第三步：用電子顯微鏡定位后，以定位位置為中心，在周圍設(shè)置直徑2~10nm的刻蝕保護區(qū)，然后開啟電子顯微鏡的高能電子束，將刻蝕保護區(qū)以外的區(qū)域刻蝕；

第四步：刻蝕完畢后，將高能電子束定位至刻蝕保護區(qū)，開啟高能電子束對刻蝕保護區(qū)進行輻照，形成球形的富勒烯結(jié)構(gòu)后停止輻照，最終完成制備過程。

作為優(yōu)選，所述第一步中半導(dǎo)體襯底為氧化鋅、硫化鎘、氧化銦、氧化銦錫、硫化鋅、硅或者碳化硅。

作為優(yōu)選，所述第三步中電子顯微鏡的電子束電壓為60~200kv。

作為優(yōu)選，所述第二步中電子顯微鏡的真空腔體內(nèi)溫度以及帶有非晶碳薄膜的襯底的溫度均小于50℃。

作為優(yōu)選，所述第三步進行刻蝕時高能電子束的電壓大于80kv。

作為優(yōu)選，所述第三步進行刻蝕時高能電子束的強度大于300a/cm²。

作為優(yōu)選，所述第四步進行輻照時高能電子束的電壓為60~200kv。

作為優(yōu)選，所述第四步進行輻照時高能電子束的強度小于100a/cm²。

有益效果：1、本發(fā)明所述方法可以實現(xiàn)定點制備，其他制備方法難以在確定位置放置單個富勒烯結(jié)構(gòu)。

2、本發(fā)明所述方法可以實現(xiàn)不同層數(shù)的制備。不僅可以實現(xiàn)單層，還能實現(xiàn)多層。特別地，雖然目前也有報道使用電子束輻照的方法制備類似富勒烯的結(jié)構(gòu)，但是生長出來的一般是大于三層的富勒烯結(jié)構(gòu)，非常難以實現(xiàn)單層或者雙層的富勒烯結(jié)構(gòu)的制備。

3、可以在室溫下進行制備，不需要高溫或者低溫。

4、本發(fā)明制備出來的可以是單個富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，所述富勒烯直接和半導(dǎo)體表面接觸。這一結(jié)構(gòu)可以直接用于器件的構(gòu)建。相比而言，雖然目前有報道使用電子束輻照的方法制備類似富勒烯的結(jié)構(gòu)，但是其制備出來的是若干個或者大量的富勒烯堆疊在一起的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)一般與半導(dǎo)體襯底不是緊密直接接觸，其形成的接觸表現(xiàn)出的是大量或者多個富勒烯與半導(dǎo)體襯底接觸的行為，而不是單個的富勒烯與半導(dǎo)體襯底接觸的行為。并且難以實現(xiàn)從其中分離出單個的富勒烯，即使考慮先形成多個富勒烯后再利用刻蝕的方法去除多余的富勒烯，也難以控制刻蝕的精度（因為富勒烯的尺寸本身比較小，特別是對于小于1nm的富勒烯難以實現(xiàn)高精度刻蝕）。

5、由于是真空系統(tǒng)中直接制備出來，所以富勒烯和半導(dǎo)體襯底材料的表面接觸比較清潔，從而制備出緊密結(jié)合、性能優(yōu)良的富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。

6、實現(xiàn)真正的可控制備，雖然已有使用電子束輻照的方法制備類似富勒烯的結(jié)構(gòu)，但是都是隨機生成的過程，不能夠進行可控制備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述制備富勒烯原理流程圖；

圖2為實施例1制備的單層富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)tem圖；

圖3為實施例2制備的單個富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)tem圖；

圖4為實施例2制備的單個富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)tem過程圖；

圖5為實施例3制備的單個富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)tem圖；

圖6為實施例4制備的雙層富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)tem圖；

圖7為實施例5制備的三層富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)tem圖。

圖中：①為半導(dǎo)體襯底上的非晶碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成石墨烯小片的過程；②為石墨烯小片形成單層或者兩層以上結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化過程；③為石墨烯片開始形成單個單層石墨烯的過程；④為石墨烯片最終閉合形成單個單層石墨烯的過程。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步描述。

實施例1

選用氧化鋅作為半導(dǎo)體襯底，對半導(dǎo)體襯底表面清洗后，使用蒸發(fā)的方法在半導(dǎo)體襯底表面制備一層厚度為2nm的非晶碳薄膜。將制備好非晶碳的氧化鋅放入電子顯微鏡的真空腔體，將樣品溫度設(shè)置為室溫。確定氧化鋅表面的一點后，以定位位置為中心，在周圍設(shè)置直徑12nm的刻蝕保護區(qū)，然后開啟電子顯微鏡的高能電子束輻照，電子束加速電壓為300kv，高能電子束的強度為300a/cm²，輻照時間為2min，刻蝕掉選定點周圍多余的非晶碳材料。隨后使用加速電壓為80kv，強度為100a/cm²的電子束進行輻照，輻照20min后，在輻照點形成單層富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其典型tem圖片參照圖2。由于初始設(shè)置的刻蝕保護區(qū)較大，最后生成了兩個相互靠近的富勒烯結(jié)構(gòu)。其中右側(cè)的富勒烯結(jié)構(gòu)已經(jīng)閉合，左邊的還未閉合。

實施例2

選用氧化銦錫作為半導(dǎo)體襯底，對半導(dǎo)體襯底表面清洗后，使用蒸發(fā)的方法在半導(dǎo)體襯底表面制備一層厚度為2nm的非晶碳薄膜。將制備好非晶碳的氧化銦錫放入電子顯微鏡的真空腔體，將樣品溫度設(shè)置為室溫。確定氧化銦錫表面的一點后，以定位位置為中心，在周圍設(shè)置直徑2nm的刻蝕保護區(qū)，然后開啟電子顯微鏡的高能電子束輻照，電子束加速電壓為200kv，高能電子束的強度為800a/cm²，輻照時間為2min，刻蝕掉選定點周圍多余的非晶碳材料。隨后使用加速電壓為200kv，強度為80a/cm²的電子束進行輻照，輻照20min后，在輻照點形成單個單層的富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其典型tem圖片參照圖3。單個單層富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)生長結(jié)構(gòu)圖參照圖4，圖上的箭頭指示了半導(dǎo)體襯底和富勒烯接觸的地方，表明了其主要機理是構(gòu)成富勒烯結(jié)構(gòu)的石墨烯片層在半導(dǎo)體襯底表面的滑動并最終閉合。圖3和圖4中標尺為2nm。

實施例3

選用硫化鎘作為半導(dǎo)體襯底，對半導(dǎo)體襯底表面清洗后，使用蒸發(fā)的方法在半導(dǎo)體襯底表面制備一層厚度為3nm的非晶碳薄膜。將制備好非晶碳的硫化鎘放入電子顯微鏡的真空腔體，將樣品溫度設(shè)置為室溫。確定硫化鎘表面的一點后，以定位位置為中心，在周圍設(shè)置直徑2nm的刻蝕保護區(qū)，然后開啟電子顯微鏡的高能電子束輻照，電子束加速電壓為80kv，高能電子束的強度為300a/cm²，輻照時間為3min，刻蝕掉選定點周圍多余的非晶碳材料。隨后使用加速電壓為80kv，強度為80a/cm²的電子束進行輻照，輻照20min后，在輻照點形成單個單層富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其典型tem圖片參照圖5。

實施例4

選用氧化銦錫作為半導(dǎo)體襯底，對半導(dǎo)體襯底表面清洗后，使用蒸發(fā)的方法在半導(dǎo)體襯底表面制備一層厚度為3nm的非晶碳薄膜。將制備好非晶碳的氧化銦錫放入電子顯微鏡的真空腔體，將樣品溫度設(shè)置為室溫。確定氧化銦錫表面的一點后，以定位位置為中心，在周圍設(shè)置直徑5nm的刻蝕保護區(qū)，然后開啟電子顯微鏡的高能電子束輻照，電子束加速電壓為200kv，高能電子束的強度為500a/cm²，輻照時間為2min，刻蝕掉選定點周圍多余的非晶碳材料。隨后使用加速電壓為200kv，強度為60a/cm²的電子束進行輻照，輻照20min后，在輻照點形成雙層富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其典型tem圖片參照圖6，其中標尺為2nm。

實施例5

選用氧化銦錫作為半導(dǎo)體襯底，對半導(dǎo)體襯底表面清洗后，使用蒸發(fā)的方法在半導(dǎo)體襯底表面制備一層厚度為5nm的非晶碳薄膜。將制備好非晶碳的氧化銦錫放入電子顯微鏡的真空腔體，將樣品溫度設(shè)置為室溫。確定氧化銦錫表面的一點后，以定位位置為中心，在周圍設(shè)置直徑10nm的刻蝕保護區(qū)，然后開啟電子顯微鏡的高能電子束輻照，電子束加速電壓為200kv，高能電子束的強度為300a/cm²，輻照時間1min，刻蝕掉選定點周圍多余的非晶碳材料。隨后使用加速電壓為200kv，強度為80a/cm²的電子束進行輻照，輻照30min后，在輻照點形成三層富勒烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其典型tem圖片參照圖7，其中標尺為2nm。

本發(fā)明所述富勒烯在半導(dǎo)體襯底上的生長原理流程圖參照圖1，其中初始過程為半導(dǎo)體襯底上的非晶碳結(jié)構(gòu)，其經(jīng)過輻照后轉(zhuǎn)變?yōu)槭┬∑?，即圖上的①過程。隨后，石墨烯小片形成單層（右側(cè)上面一過程）或者兩層以上的結(jié)構(gòu)（右側(cè)下面一過程），即圖上的②過程。隨著電子束的輻照，其中的③、④過程分別為石墨烯片層逐漸相互連接形成閉合單個單層富勒烯結(jié)構(gòu)的過程。其中，右側(cè)下面一過程中，多層的富勒烯形成是從最內(nèi)層的閉合開始，最外層的殼層封閉為結(jié)束。

以上內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。