一種石墨烯薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種石墨烯薄膜的制備方法，其包括：提供一基底；在基底上控制形成厚度均勻的碳源層；加熱碳源層，使碳源層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)槭┍∧印＿@樣，通過精確控制碳源層的均勻性和厚度，可以精確控制石墨烯薄膜均勻性和厚度；同時(shí)，本發(fā)明的石墨烯的制備方法可以得到高質(zhì)量的石墨烯薄膜，其能夠與現(xiàn)有的CMOS工藝相兼容，適于大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】一種石墨烯薄膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種石墨烯薄膜的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]作為一種新型多功能材料，石墨烯具有諸多優(yōu)異特性，如超高的載流子迀移率、超高機(jī)械強(qiáng)度、極高熱導(dǎo)率、室溫具有量子霍爾效應(yīng)和鐵磁特性等。正是這些優(yōu)良的機(jī)械和光電特性，科學(xué)家普遍預(yù)測(cè)石墨烯在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可望在二十一世紀(jì)掀起一場(chǎng)新的技術(shù)革命。
[0003]關(guān)于石墨烯的基礎(chǔ)和應(yīng)用研宄，科學(xué)家們已經(jīng)表現(xiàn)出了極高的熱情，甚至是各國(guó)也都就此展開了國(guó)家級(jí)的研發(fā)投入，如美國(guó)、日本、歐盟等都有專項(xiàng)資金用于石墨烯技術(shù)研宄。目前，石墨烯研宄中遇到比較突出的一個(gè)問題就是石墨烯薄膜材料的制備?，F(xiàn)有研宄中石墨烯的制備方法主要包括機(jī)械剝離法、SiC高溫分解法、化學(xué)氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法等，然而，這些制備方法都很難得到層數(shù)可控、均勻的高質(zhì)量石墨烯薄膜。
[0004]因此，如何精確地控制石墨烯形成厚度可控的均勻薄膜一直是各國(guó)研宄工作者的一個(gè)難題，它影響石墨烯薄膜在高性能器件領(lǐng)域的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服以上問題，本發(fā)明旨在提供一種石墨烯薄膜的制備方法，從而達(dá)到精確控制所形成的石墨烯薄膜的厚度和均勻性的目的。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種石墨烯薄膜的制備方法，其包括以下步驟:
[0007]步驟01:提供一基底；
[0008]步驟02:在所述基底上控制形成厚度均勻的碳源層；
[0009]步驟03:加熱所述碳源層，使所述碳源層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)槭┍∧印?br> [0010]優(yōu)選地，所述步驟03具體包括:
[0011]步驟31:在所述碳源層上淀積金屬催化劑層，以形成金屬催化劑層-碳源層-基底的多層結(jié)構(gòu)；
[0012]步驟32:對(duì)所述多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，以使所述碳源層反應(yīng)形成石墨烯薄膜；
[0013]步驟33:去除所述金屬催化劑，得到純的石墨稀薄膜。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟03中，所述金屬催化劑層的材料為Cu、N1、Co、Fe或Pt。
[0015]優(yōu)選地，所述碳源層的厚度為5-1000A，所述金屬催化劑層的厚度為150-250nm。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟03中，所述退火處理的工藝條件為:采用隊(duì)或He惰性氣體保護(hù)或者采用高真空環(huán)境，所采用的退火溫度為400-1200°C。
[0017]優(yōu)選地，采用濕法刻蝕法或電化學(xué)方法去除所述金屬催化劑。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟02中，所述碳源層的材料為無定型碳、碳化硅、或有機(jī)分子膜。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟03具體包括:在真空環(huán)境下，將碳源層熱分解得到所述石墨烯薄膜。
[0020]優(yōu)選地，所述基底的碳濃度低于0.5ppma。
[0021]優(yōu)選地，所述基底為硅、氧化硅、氮化硅或石英玻璃基底，或表面具有氧化硅薄膜的硅基底。
[0022]本發(fā)明的石墨烯薄膜的制備方法，首先在基底上控制形成厚度均勻的碳源層，然后使碳源層受熱轉(zhuǎn)變?yōu)槭┍∧?，這樣，通過精確控制碳源層的均勻性和厚度，可以精確控制石墨烯薄膜均勻性和厚度；同時(shí)，本發(fā)明的石墨烯的制備方法可以得到高質(zhì)量的石墨烯薄膜，其能夠與現(xiàn)有的CMOS工藝相兼容，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例一的石墨烯的制備方法的流程示意圖
[0024]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例二的石墨烯的制備方法的流程示意圖

【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0026]本發(fā)明的石墨稀薄I旲的制備方法，其包括:提供一基底；在基底上控制形成一定均勻厚度的碳源層；加熱碳源層，使碳源層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)槭┍∧?。從而可以?shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯薄膜厚度和均勻性的精確控制。
[0027]實(shí)施例一
[0028]以下結(jié)合附圖1和具體實(shí)施例一對(duì)本發(fā)明的石墨烯薄膜的制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式、使用非精準(zhǔn)的比例，且僅用以方便、清晰地達(dá)到輔助說明本實(shí)施例的目的。
[0029]請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)施例的石墨烯薄膜的制備方法包括以下步驟:
[0030]步驟11:提供一基底；
[0031]這里，所提供的基底的碳濃度要求極低，如有襯底中的碳濃度高，在后續(xù)的退火處理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基底中碳的析出，從而破壞精確控制的碳源層的厚度和均勻性?；椎奶紳舛鹊陀?.5ppma ;基底可以為娃、氧化娃、氮化娃或石英玻璃基底，或表面具有氧化娃薄膜的硅基底等，本實(shí)施例中，采表面具有3000A厚度SiCV薄膜的Si基底，碳濃度低于0.3ppma。
[0032]步驟12:在基底上控制形成厚度均勻的碳源層；
[0033]這里，可以采用原子層沉積、分子束外延、化學(xué)氣相沉積或Langmuir-Blodgett工藝來精確控制碳源層的厚度和均勻性。碳源層的材料可以為無定型碳、碳化硅、或有機(jī)分子膜；碳源層的厚度可以為5-1000A。本實(shí)施例中，采用原子層沉積工藝在基底上完成五個(gè)周期的沉積，從而形成具有30A均勻厚度的無定型碳源層。通過本步驟12，可形成厚度可控且均勻的碳源層。
[0034]步驟13:在碳源層上淀積金屬催化劑層，以形成金屬催化劑層-碳源層-基底的多層結(jié)構(gòu)；
[0035]這里，金屬催化劑層的厚度可以為150-250nm，金屬催化劑層為過渡金屬，例如可以為Cu、N1、Co、Fe或Pt等?？梢圆捎脼R射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積等物理氣相沉積方法來制備金屬催化劑層。本實(shí)施例中，采用物理氣相沉積法在無定型碳層/Si02/Si基底上沉積200nm的Cu金屬催化劑，從而形成Cu金屬催化劑層/無定型碳層/Si02/Si結(jié)構(gòu)。
[0036]步驟14:對(duì)多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，以使碳源層反應(yīng)形成石墨烯薄膜；
[0037]這里，退火處理可以采用爐管、快速退火爐、激光退火等工藝，采用隊(duì)或He惰性氣體保護(hù)或者在高真空環(huán)境下進(jìn)行退火處理，采用的退火溫度可以為400-1200°C。退火后碳源層在金屬催化劑的作用下根據(jù)金屬催化的原理，經(jīng)金屬催化和高溫誘導(dǎo)過程中碳原子重新成鍵排列，轉(zhuǎn)變?yōu)槭┍∧ぃ槐緦?shí)施例中，退火溫度為800°C，時(shí)間為30分鐘，在Cu金屬催化劑作用下，退火完成后無定型碳完全轉(zhuǎn)化成石墨烯薄膜，形成金屬催化劑/石墨烯薄膜/Si02/Si結(jié)構(gòu)。
[0038]步驟15:去除金屬催化劑，得到純的石墨稀薄膜。
[0039]這里，可以采用濕法刻蝕法或電化學(xué)方法去除金屬催化劑。本實(shí)施例中，采用lmol/L FeC13 ?谷液將Cu完全去除，以得到附著在基底上的石墨稀薄I旲，最后的結(jié)構(gòu)為石墨烯薄膜/Si02/Si結(jié)構(gòu)?？梢圆捎矛F(xiàn)有的技術(shù)將石墨烯薄膜剝離下來，在這里不再贅述。
[0040]實(shí)施例二
[0041]本實(shí)施例二的石墨烯薄膜的制備步驟與實(shí)施例一中的大體相同，區(qū)別在于:本實(shí)施例二中，不采用金屬催化劑來形成石墨烯薄膜，而是在高真空環(huán)境下，采用將碳源層直接高溫分解得到石墨烯薄膜；這樣，本實(shí)施例二中的碳源層的材料需具有高溫?zé)岱纸馓匦?，這里采用碳化硅。具體的，請(qǐng)參閱圖2，本實(shí)施例二的石墨烯制備方法具體包括以下步驟:
[0042]步驟21，提供一基底；這里，采用Si02/Si基底；該步驟可參閱實(shí)施例一中的步驟11具體描述；
[0043]步驟22，在基底上控制形成厚度均勻的碳源層；這里為3nm厚度的碳化硅層；從而形成碳化硅層/Si02/Si結(jié)構(gòu)；這里，可以但不限于采用采用分子束外延法；還可以參閱實(shí)施例一中步驟12中碳源層的形成方法的描述；
[0044]步驟23，高真空環(huán)境下，直接加熱碳源層/基底結(jié)構(gòu)，使碳源層發(fā)生熱分解轉(zhuǎn)化成石墨烯薄膜；這里，對(duì)碳化硅層/Si02/Si加熱至900-1200°C，較佳的，為1000°C。從而形成石墨稀薄膜/Si02/Si結(jié)構(gòu)。
[0045]實(shí)施例三
[0046]本實(shí)施例三的石墨烯薄膜的制備步驟與實(shí)施例一中的相同，區(qū)別在于:本實(shí)施例中，采用Langmuir-Blodgett(LB)膜法將液態(tài)碳源甲苯分子均勾地涂覆在基底上，形成甲苯分子膜/基底結(jié)構(gòu)，然后再利用與實(shí)施例一相同的步驟S13-S15形成石墨烯薄膜/基底結(jié)構(gòu)。
[0047]綜上所述，本發(fā)明的石墨烯薄膜的制備方法，首先在基底上控制形成厚度均勻的碳源層，然后碳源層受熱反應(yīng)為石墨烯薄膜，這樣，通過精確控制碳源層的均勻性和厚度，可以精確控制石墨烯薄膜均勻性和厚度；同時(shí)，本發(fā)明的石墨烯的制備方法可以得到高質(zhì)量的石墨烯薄膜，其能夠與現(xiàn)有的CMOS工藝相兼容，適于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0048]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述實(shí)施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟Ol:提供一基底； 步驟02:在所述基底上控制形成厚度均勻的碳源層； 步驟03:加熱所述碳源層，使所述碳源層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)槭┍∧印?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟03具體包括: 步驟31:在所述碳源層上淀積金屬催化劑層，以形成金屬催化劑層-碳源層-基底的多層結(jié)構(gòu)； 步驟32:對(duì)所述多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，以使所述碳源層反應(yīng)形成石墨烯薄膜； 步驟33:去除所述金屬催化劑，得到純的石墨烯薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟03中，所述金屬催化劑層的材料為Cu、N1、Co、Fe或Pt。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述碳源層的厚度為5-1000A，所述金屬催化劑層的厚度為150-250nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟03中，所述退火處理的工藝條件為:采用N2或He惰性氣體保護(hù)或者采用高真空環(huán)境，所采用的退火溫度為 400-1200°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，采用濕法刻蝕法或電化學(xué)方法去除所述金屬催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟02中，所述碳源層的材料為無定型碳、碳化硅、或有機(jī)分子膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟03具體包括:在真空環(huán)境下，將碳源層熱分解得到所述石墨烯薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述基底的碳濃度低于0.5ppma。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述基底為硅、氧化硅、氮化硅或石英玻璃基底，或表面具有氧化硅薄膜的硅基底。
【文檔編號(hào)】C04B41/50GK104477903SQ201410822933
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】左青云, 曾紹海, 康曉旭 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司