h-BN上石墨烯納米帶的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于低維材料和新材料領(lǐng)域，特別是涉及一種h-BN上石墨稀納米帶的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯由于具有優(yōu)異的物理化學特性成為科學及產(chǎn)業(yè)界熱門研宄課題，其優(yōu)越的電子傳輸特性及可裁剪加工特性使得其有望成為新一代微納電子器件的重要基礎(chǔ)性材料。而當前石墨烯的性能由于受制于制備方法及手段，因而使其應用受限。目前制備石墨烯的常用方法有機械剝離法、化學氣相沉積法(CVD)，SiC外延生長法及石墨氧化還原法等，CVD方法由于成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)，與半導體工藝兼容而成為發(fā)展最快，最具應用前景的主流制備方法。而CVD方法采用在過渡金屬上催化生長石墨烯，并不能直接應用于電子器件的制備，需要將石墨烯轉(zhuǎn)移到介電層上才能有效的組裝器件。當前研宄的石墨烯光電器件的介電層大多采用Si02/Si。研宄人員指出由于S12表面電荷聚集引起的石墨稀局域載流子摻雜，以及S12-石墨烯界面上聲子對于石墨烯載流子的散射作用，使得石墨烯電子迀移率上限降為40000cm2/Vs，遠低于本征石墨烯的理論值，這大大降低了石墨烯的應用。另外石墨烯轉(zhuǎn)移過程中采用的濕法化學方法，不僅使得工藝過程變得復雜，同時不可避免的帶來石墨烯破損及污染，降低石墨烯的質(zhì)量，從而不利于制備高性能電子器件。因而如何避免轉(zhuǎn)移并克服Si02/Si基底的不足是石墨稀光電器件的關(guān)鍵之一。
[0003]另外石墨烯特殊的晶體結(jié)構(gòu)導致了其獨特的零能隙結(jié)構(gòu)，其金屬特性并不能直接應用于電子器件制備。目前雖然能制備得到缺陷較少，結(jié)構(gòu)完整的石墨烯，但得到的石墨烯帶隙幾乎為零或者非常小，很難滿足制備半導體功能器件的要求。然而石墨烯零帶隙結(jié)構(gòu)限制了它在電子學領(lǐng)域中的應用。理論和實驗研宄表明石墨烯納米帶具有的量子禁閉效應及邊緣效應使得石墨烯納米帶的帶隙具有寬度依賴效應。實驗結(jié)果確實地展示出，隨著納米帶寬度減小，能隙會增大。因此發(fā)展調(diào)控石墨烯電子結(jié)構(gòu)和禁帶寬度技術(shù)具有重要意義。研宄人員分別從物理和化學角度提出了改性石墨烯的制備方法，針對石墨烯幾何結(jié)構(gòu)尺寸及物理結(jié)構(gòu)采用刻蝕法、外加電場調(diào)節(jié)法；或者通過化學方法如邊緣修飾法或者化學慘雜等方法，均能不同程度的打開石墨烯帶隙。而這些調(diào)控石墨烯電子結(jié)構(gòu)的方法均為先制備出完整結(jié)構(gòu)石墨烯，再進行改性調(diào)控，容易受到工藝技術(shù)制約，摻雜濃度不可控等，從電子器件制作及商業(yè)化角度考慮，這些工藝繁瑣，且成本較高。
[0004]綜上所述，石墨烯發(fā)展面臨以下挑戰(zhàn):石墨烯的零帶隙的電子結(jié)構(gòu)限制了其在納電子器件及集成電路領(lǐng)域的應用；現(xiàn)有的石墨烯制備及轉(zhuǎn)移技術(shù)由于引入了缺陷及電荷雜質(zhì)，使得石墨烯材料的電學性能遠遠低于其本征電學性能。因此本發(fā)明提出一種在h-BN上制備石墨烯納米帶的方法，以克服當前石墨烯發(fā)展遇到的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種h-BN上石墨烯納米帶的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的種種問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種h-BN上石墨烯納米帶的制備方法，采用金屬催化刻蝕的方法在h-BN上獲得具有納米帶狀溝槽結(jié)構(gòu)的h-BN溝槽模板，隨后通過控制CVD生長條件實現(xiàn)石墨烯在納米帶狀溝槽結(jié)構(gòu)中的成核，生長成石墨烯納米帶。h-BN被稱為白石墨烯，是石墨烯的等電子體，具有與石墨烯相同的層狀六邊形平面結(jié)構(gòu)，具有原子級平整表面，在(0001)面上沒有懸掛鍵，與石墨烯的晶格失配僅為1.8%，摻雜效應弱，能夠最大限度的保持石墨烯的本征物理性質(zhì)，是最具有潛力的一種石墨烯器件絕緣基底。而直接在h-BN上生長石墨稀納米帶，通過控制h-BN金屬催化刻蝕條件及CVD反應條件，即可獲得形貌及結(jié)構(gòu)可控生長的石墨烯納米帶，達到實現(xiàn)提高其電學性能的目的。
[0007]所述h-BN上石墨稀納米帶的制備方法包括步驟:
[0008]I)采用金屬催化刻蝕的方法于h-BN上形成具有納米帶狀溝槽結(jié)構(gòu)的h-BN溝槽模板；
[0009]2)采用化學氣相沉積方法于所述h-BN溝槽模板中的生長石墨烯納米帶。
[0010]作為本發(fā)明的h-BN上石墨烯納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)中，所述h-BN包括h-BN塊體單晶、機械剝離解理得到的h-BN薄膜以及化學氣相沉積方法獲得的h-BN薄膜中的一種。
[0011]進一步地，所述h-BN為通過機械剝離方法得到的具有原子級平整度的解理面的h-BN薄膜。
[0012]作為本發(fā)明的h-BN上石墨稀納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)所述的金屬催化刻蝕的方法包括步驟:
[0013]1-1)于h-BN上形成一層具有催化刻蝕作用的金屬粒子薄膜；
[0014]1-2)對形成有金屬粒子薄膜的h-BN進行退火刻蝕，獲得表面具有納米帶狀溝槽結(jié)構(gòu)的h-BN溝槽模板。
[0015]進一步地，步驟1-1)為通過旋涂工藝將對h-BN具有催化刻蝕作用的金屬鹽溶液如 Zn (NO3) 2、Cu (NO3) 2、NiCl2、FeCl2、FeCl3、CuSO4, MgCl2等溶液形成于 h-ΒΝ 表面。
[0016]進一步地，通過控制金屬催化顆粒溶液的濃度來控制刻蝕所形成的納米帶狀溝槽結(jié)構(gòu)的密度及分布，所述金屬催化顆粒的濃度為5.29*10_3mol/L?5.29*10^mol/Lo
[0017]進一步地，步驟1-2)中的退火刻蝕為于CVD管式爐中對h-BN進行退火刻蝕，載氣為Ar，工作氣體根據(jù)不同的刻蝕取向選擇為4或O 2，其中，采用4及Ar流量比為1:1?
1:10時，易獲得Armchair邊界結(jié)構(gòu)的納米帶狀溝槽；采用O2及Ar流量比為1:1?0:10時，易獲得Zigzag邊緣結(jié)構(gòu)的納米帶狀溝槽。
[0018]作為本發(fā)明的h-BN上石墨稀納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述退火刻蝕的溫度范圍為900°C?1300°C，通過控制退火刻蝕溫度控制h-BN的刻蝕速率。
[0019]作為本發(fā)明的h-BN上石墨稀納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述退火刻蝕的時間范圍為1min?300min，通過控制退火刻蝕時間控制納米帶狀溝槽的深度、寬度、及長度。
[0020]作為本發(fā)明的h-BN上石墨稀納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述納米帶狀溝槽結(jié)構(gòu)的深度為I?9個原子層的厚度，寬度為彡I μ m，長度為彡lOOnm。
[0021]作為本發(fā)明的h-BN上石墨烯納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)所述的化學氣相沉積法包括低氣壓化學氣相沉積LPCVD、等離子增強化學氣相沉積PECVD、常壓化學氣相沉積法CVD以及脈沖激光沉積PLD中的一種。
[0022]作為本發(fā)明的h-BN上石墨烯納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中生長石墨烯納米帶采用的碳源包括固態(tài)碳源、氣態(tài)碳源及液態(tài)碳源，其中，所述固態(tài)碳源包括石墨、葡萄糖、聚甲基丙烯酸酯中的一種或組合，所述液態(tài)碳源包括液體苯，所述氣態(tài)碳源包括甲烷、乙烯、乙炔中的一種或組合。
[0023]作為本發(fā)明的h-BN上石墨烯納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中生長石墨烯納米帶采用的碳源為乙炔及甲烷，其中甲烷與乙炔氣體流量比為1:1?1:30。
[0024]進一步地，在生長石墨烯納米帶時，為了控制合適的生長速度，還包括引入硅烷調(diào)節(jié)碳源氣體分壓比的步驟，其中，甲烷、硅烷及乙炔的氣體體積范圍比為1: 1:10?1: 1:20。
[0025]作為本發(fā)明的h-BN上石墨烯納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中生長石墨烯納米帶的氣壓范圍為IPa?10Pa，溫度范圍為800°C?1300°C，生長時間范圍為Imin ?IHour0
[0026]作為本發(fā)明的h-BN上石墨烯納米帶的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)所獲得的石墨稀納米帶的寬度為彡I ym，深度為I?9個原子層厚度，長度為彡lOOnm。
[0027]如上所述，本發(fā)明的h-BN上石墨稀納米帶的制備方法，以金屬催化刻蝕h-BN表面獲得的納米帶結(jié)構(gòu)溝槽為模版，通過控制CVD沉積條件，實現(xiàn)石墨烯沿著h-BN納米帶溝槽的邊緣形核生長直至填滿整個納米帶溝槽形