專利名稱：基于Ni膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于Ni膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當(dāng)時，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈 杰姆和克斯特亞 諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶， 就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。從這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，但使用最多的主要有以下兩種1.化學(xué)氣相沉積法提供了一種可控制備石墨烯的有效方法，它是將平面基底，如金屬薄膜、金屬單晶等置于高溫可分解的前驅(qū)體，如甲烷、乙烯等氣氛中，通過高溫退火使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學(xué)腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨立的石墨烯片。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅(qū)體的流量等參數(shù)可調(diào)控石墨烯的生長，如生長速率、厚度、面積等，此方法最大的缺點在于獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強，喪失了許多單層石墨烯的性質(zhì)，而且石墨烯的連續(xù)性不是很好。2.熱分解SiC法將單晶SiC加熱以通過使表面上的SiC分解而除去Si，隨后殘留的碳形成石墨烯。然而，SiC熱分解中使用的單晶SiC非常昂貴，并且生長出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，層數(shù)不均勻?，F(xiàn)有的石墨烯的制備方法，如申請?zhí)枮?00810113596. 0的“化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的方法”專利，公開的方法是首先制備催化劑，然后進行高溫化學(xué)氣相沉積，將帶有催化劑的襯底放入無氧反應(yīng)器中，使襯底達到500-1200°C，再通入含碳?xì)庠催M行化學(xué)沉積而得到石墨烯，然后對石墨烯進行提純(即酸處理或低壓、高溫下蒸發(fā))除去催化劑。該方法的主要缺點是工藝復(fù)雜，需要專門去除催化劑，能源消耗大，生產(chǎn)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于Ni膜輔助退火的SiC 襯底上石墨烯制備方法，以提高石墨烯表面光滑度和連續(xù)性、降低孔隙率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟(1)對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物；(2)將清洗后的SiC樣片置于石英管中，加熱至750-1150°C ；(3)對裝有CCl4液體的三口燒瓶加熱至60-80°C，利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進入石英管中與SiC反應(yīng)，生成雙層碳膜，反應(yīng)時間為20-100min ；(4)在Si襯底樣片上采用電子束沉積350-600nm厚的Ni膜；(5)將生成的雙層碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，再將它們一同置于Ar氣中在溫度為900-110(TC下退火10-20分鐘，使雙層碳膜重構(gòu)成雙層石墨烯，最后從雙層石墨烯樣片上取開Ni膜。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1.本發(fā)明使用的方法工藝簡單，節(jié)約能源，安全性高。2.本發(fā)明由于利用SiC與CCl4氣體反應(yīng)，因而生成的雙層石墨烯表面光滑，孔隙率低，可用于對氣體和液體的密封。3.本發(fā)明由于利用在Ni膜上退火，因而生成的碳膜更容易重構(gòu)形成連續(xù)性較好的石墨烯。


圖1是本發(fā)明制備石墨烯的裝置示意圖；圖2是本發(fā)明制備石墨烯的流程圖。
具體實施例方式參照圖1，本發(fā)明的制備設(shè)備主要由三通閥門3，三口燒瓶8，水浴鍋9，石英管5， 電阻爐6組成；三通閥門3通過第一通道1與石英管5相連，通過第二通道2與三口燒瓶8 的左側(cè)口相連，而三口燒瓶8的右側(cè)口與石英管5相連，三口燒瓶中裝有CCl4液體，且其放置在水浴鍋9中，石英管5放置在電阻爐6中。參照圖2，本發(fā)明的制作方法給出如下三種實施例。實施例1步驟1 清洗6H_SiC樣片，以去除表面污染物。(1. 1)對6H_SiC襯底基片使用ΝΗ40Η+Η2&試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；(1. 2)將去除表面有機殘余物后的6H_SiC樣片再使用HC1+H2&試劑浸泡樣品10 分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟2 將6H_SiC樣片裝入石英管，并排氣加熱。(2. 1)將清洗后的6H_SiC樣片放入石英管5中，并把石英管置于電阻爐6中；(2. 2)檢查整個制備設(shè)備的氣密性，從進氣口 4通入流速為SOml/min的Ar氣，并利用三通閥門3控制Ar氣從第一通道1進入對石英管進行排空30分鐘，使石英管內(nèi)的空氣從出氣口7排出；(2. 3)打開電阻爐電源開關(guān)，對石英管升溫至750°C。步驟3:生長雙層碳膜。(3. 1)打開水浴鍋9電源，對裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至60°C ；(3. 2)當(dāng)電阻爐達到設(shè)定的750°C后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使流速為40ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進入石英管，使氣態(tài)CCl4與6H-SiC在石英管中發(fā)生反應(yīng)，生成雙層碳膜，反應(yīng)時間為20分鐘。步驟4 取Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強抽至5 X IO-4Pa,調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)lOmin，在Si襯底樣片上沉積一層350nm厚的Ni膜。
步驟5 重構(gòu)成雙層石墨烯。(5. 1)將生成的雙層碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上；(5. 2)將雙層碳膜樣片和Ni膜整體置于流速為20ml/min的Ar氣中，在溫度為 900°C下退火20分鐘，通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成連續(xù)的石墨烯；(5. 3)將Ni膜從雙層石墨烯樣片上取開。實施例2步驟一清洗4H_SiC樣片，以去除表面污染物。對4H_SiC襯底基片先使用ΝΗ40Η+Η2Α試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟二 將4H_SiC樣片裝入石英管，并排氣加熱。將清洗后的4H_SiC樣片置于石英管5中，并把石英管置于電阻爐6中；檢查整個制備設(shè)備的氣密性，從進氣口 4通入流速為SOml/min的Ar氣，并利用三通閥門3控制Ar 氣從第一通道1進入對石英管進行排空30分鐘，使石英管內(nèi)的空氣從出氣口 7排出；打開電阻爐電源開關(guān)，對石英管升溫至900°C。步驟三生長雙層碳膜。打開水浴鍋9電源，對裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至70°C ；當(dāng)電阻爐達到設(shè)定的900°C后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使流速為60ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進入石英管，使氣態(tài)CCl4與4H-SiC在石英管中發(fā)生反應(yīng)，生成雙層碳膜，反應(yīng)時間為60分鐘。步驟四取Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強抽至5 X IO-4Pa,調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)15min，在Si襯底樣片上沉積一層400nm厚的Ni膜。步驟五重構(gòu)成雙層石墨烯。將生成的雙層碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上，再將它們一同置于流速為60ml/min的Ar氣中溫度為1000°C下退火15分鐘，通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成連續(xù)的石墨烯，再將Ni膜從雙層石墨烯樣片上取開。實施例3步驟A 對6H_SiC襯底基片進行表面清潔處理，即先使用NH40H+H2&試劑浸泡樣品 10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘， 取出后烘干，以去除離子污染物。步驟B 將清洗后的6H_SiC樣片置于石英管5中，并把石英管置于電阻爐6中；檢查整個制備設(shè)備的氣密性，從進氣口 4通入流速為SOml/min的Ar氣，并利用三通閥門3控制Ar氣從第一通道1進入對石英管進行排空30分鐘，使石英管內(nèi)的空氣從出氣口 7排出； 打開電阻爐電源開關(guān)，對石英管升溫至1150°C。步驟C 打開水浴鍋9電源，對裝有CCl4液體的三口燒瓶8加熱至80°C;當(dāng)電阻爐達到設(shè)定的1150°C后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使流速為90ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進入石英管，使氣態(tài)CCl4與6H-SiC在石英管中反應(yīng)100分鐘，生成雙
層碳膜。
步驟D 取Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強抽至5 X IO-4Pa,調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)20min，在Si襯底樣片上沉積一層600nm厚的Ni膜。步驟E 將生成的雙層碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上，再將它們一同置于流速為lOOml/min的Ar氣中溫度為1100°C下退火10分鐘，通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成連續(xù)的石墨烯，再將Ni膜從雙層石墨烯樣片上取開。
權(quán)利要求
1.一種基于Ni膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法，包括以下步驟(1)對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物；(2)將清洗后的SiC樣片置于石英管中，加熱至750-1150°C；(3)對裝有CCl4液體的三口燒瓶加熱至60-80°C，利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進入石英管中與SiC反應(yīng)，生成雙層碳膜，反應(yīng)時間為20-100min ；(4)在Si襯底樣片上采用電子束沉積350-600nm厚的Ni膜；(5)將生成的雙層碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，再將它們一同置于Ar氣中在溫度為 900-110(TC下退火10-20分鐘，使雙層碳膜重構(gòu)成雙層石墨烯，最后從雙層石墨烯樣片上取開Ni膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于M膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法，其特征在于所述步驟(1)對SiC樣片進行清洗，按如下步驟進行(Ia)使用ΝΗ40Η+Η2Α試劑浸泡SiC樣片10分鐘，取出后烘干，以去除樣片表面有機殘余物；(Ib)使用HC1+H2&試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于M膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法，其特征在于所述步驟(3)中Ar氣流速為40-90ml/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Ni膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法，其特征在于所述步驟中電子束沉積的條件為基底到靶材的距離為50cm，反應(yīng)室壓強為 5Xl(T4Pa，束流為40mA，蒸發(fā)時間為10_20min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于M膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法，其特征在于所述步驟(5)退火時Ar氣的流速為20-100ml/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于M膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法，其特征在于所述SiC樣片的晶型采用4H-SiC或6H-SiC。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Ni膜輔助退火的SiC襯底上石墨烯制備方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中制備的石墨烯表面不光滑、連續(xù)性不好、層數(shù)不均勻的問題。其實現(xiàn)步驟是先對SiC樣片進行標(biāo)準(zhǔn)清洗；再將清洗后的SiC樣片置于石英管中，利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進入石英管，在750-1150℃下SiC與氣態(tài)CCl4反應(yīng)，生成雙層碳膜；然后在Si基體上電子束沉積350-600nm厚的Ni膜；再將生成的雙層碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，并將它們一同置于Ar氣中，在溫度為900-1100℃下退火10-20min生成雙層石墨烯；最后將Ni膜從雙層石墨烯樣片上取開。本發(fā)明具有工藝簡單，安全性高，雙層石墨烯表面光滑，連續(xù)性好，孔隙率低的優(yōu)點，可用于對氣體和液體的密封。
文檔編號C23C16/26GK102505114SQ201210000519
公開日2012年6月20日 申請日期2012年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月3日
發(fā)明者張克基, 張玉明, 鄧鵬飛, 郭輝, 雷天民 申請人:西安電子科技大學(xué)