專利名稱：一種單晶石墨烯pn結(jié)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶石墨烯pn結(jié)及其制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是ー種由單層碳原子按照六方対稱的蜂巢結(jié)構(gòu)排布成的ニ維薄膜材料。由于石墨烯在電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)以及力學(xué)等方面具有優(yōu)異的性質(zhì)，自其被發(fā)現(xiàn)以來就引起物理、化學(xué)、生物、材料等各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，同時也受到エ業(yè)界的廣泛關(guān)注。對于電子傳輸而言，石墨烯的電子遷移率比傳統(tǒng)的硅材料高兩個數(shù)量級以上，而且對稱的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有匹配的電子和空穴遷移率，因而石墨烯被視為硅基電子學(xué)的有力競爭者。光學(xué)方面，石墨烯在從可見光至遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)保持良好的透光性，吸光率僅為0. 23%，結(jié)合其優(yōu)異的導(dǎo)·電性及柔韌性，石墨烯有望取代ITO等材料成為下一代的透明導(dǎo)電材料。與硅基電子學(xué)類似，石墨烯在電子學(xué)以及光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用離不開有效地?fù)诫s以及Pn結(jié)的構(gòu)筑，即根據(jù)需要將不同區(qū)域的石墨烯費(fèi)米能級調(diào)節(jié)到合適的位置，繼而實(shí)現(xiàn)特定的電子運(yùn)算性能以及光電轉(zhuǎn)換性能。由于石墨烯僅有ー層碳原子構(gòu)成，碳原子之間的共價鍵強(qiáng)度很大，傳統(tǒng)的諸如離子注入等用于硅材料摻雜的方法不再適用。目前制備石墨烯單晶Pn結(jié)的方法往往基于機(jī)械剝離得到的微米尺度石墨烯，不利于規(guī)模的擴(kuò)大；此外，實(shí)現(xiàn)摻雜的方法一般也都局限在對外界環(huán)境的控制上，通過制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的頂柵或使用穩(wěn)定性較差的表面吸附來實(shí)現(xiàn)石墨烯的局域摻雜及Pn結(jié)的構(gòu)筑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)及其制備方法。本發(fā)明所提供的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)是按照包括下述步驟的方法制備得到的I)將銅箔置于反應(yīng)器中并在還原性氣氛下進(jìn)行退火，還原銅箔表面殘留的氧化物并擴(kuò)大銅晶疇尺寸；2)在980-1020°C溫度下向所述反應(yīng)器中通入一定時間的碳源氣體與還原性氣體的混合氣體，在銅箔表面生長得到亞單層的本征石墨烯孤島；3)向所述反應(yīng)器中通入一定時間的惰性氣體與還原性氣體的混合氣體，對前ー步的生長氣氛(即碳源氣體)進(jìn)行清理，同時將體系溫度降低至900-960°C ；4)維持體系溫度在900-960°C，向所述反應(yīng)器中通入一定時間的含氮碳源與還原性氣體的混合氣體，在步驟2)所述本征石墨烯孤島的間隙中，以已有的孤島邊緣為起點(diǎn)生長氣慘雜的石墨稀;5)根據(jù)需要重復(fù)上述步驟2)-4)的操作，得到單級或多級的石墨烯pn結(jié)；6)迅速降低體系溫度至室溫使得生長不再進(jìn)行，得到沉積在銅箔表面的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)。其中，步驟I)中所述銅箔為商業(yè)化產(chǎn)品，銅箔純度在99%以上，厚度可為20 u m-100 u m,使用前需經(jīng)質(zhì)量濃度5%的稀鹽酸及去離子水對表面進(jìn)行常溫清洗。所述退火在980-1040°C之間進(jìn)行，退火時間為20min-60min。退火后銅的晶疇可達(dá)數(shù)百微米。所用還原性氣氛為氫氣氣氛，流量為2sccm-20sccm,體系壓強(qiáng)在lPa_50Pa之間。所述反應(yīng)器可采用帶有磁力控制裝置的套管，通過將套管置于管式爐中實(shí)現(xiàn)加熱。步驟2)中所述碳源氣體可為甲烷氣體、こ烯或苯等。所用甲烷純度不低于99. 999%，甲烷的流量為lsccm-5sccm。所述還原性氣體為氫氣，其流量為2_20sccm。生長時間為10s-30s，體系壓強(qiáng)為10Pa_20Pa。得到的本征石 墨烯孤島尺寸強(qiáng)烈受到生長條件影響，在2 y m-20 u m之間(由于孤島不規(guī)則，可以看成是平均直徑)。步驟3)所用的惰性氣體為氬氣，流量為50sccm-200sccm ;所用的還原性氣體為氫氣，流量為2-20sccm，該步驟處理時間為l-3min。步驟4)中所述含氮碳源可為こ腈蒸汽或吡啶蒸汽。以こ腈為例，采用分析純以上純度商用作為生長氮摻雜石墨烯的含氮碳源，使用針閥對氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)，體系中こ腈的分壓為l-5Pa。所用的還原性氣體為氫氣，流量為2-20sccm。當(dāng)生長時間小于30s時得到的是孤立的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)孤島，大于3min后可得到連續(xù)的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)薄膜，當(dāng)生長時間在30s-3min之間，得到的是準(zhǔn)連續(xù)的薄膜，即有些地方連起來了，有些地方還有縫隙。步驟6)中使用磁力套管將樣品從高溫區(qū)拖至室溫區(qū)域，迅速終止生長的繼續(xù)進(jìn)行。所述方法還包括將步驟6)得到的沉積在銅箔表面的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)轉(zhuǎn)移到特定的基底表面。所使用的轉(zhuǎn)移媒介PMMA溶液由分子量為996K的商用PMMA固體顆粒溶于化學(xué)純以上純度的乳酸こ酷溶液中制得，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%-5%;使用懸涂的方式在得到的調(diào)制摻雜石墨烯-銅箔樣品表面制得PMMA薄膜，懸涂速率為1000rpm-4000rpm，時間為30s_60s，隨后在120-170°C下進(jìn)行60s以上的烘烤；使用濃度不低于IM的三氯化鐵酸性溶液或過硫酸鹽溶液作為銅的刻蝕劑對樣品中的銅進(jìn)行刻蝕，刻蝕時間為5min-30min，得到由PMMA支撐的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)薄膜；將該薄膜置于目標(biāo)基底上晾干并使用丙酮去除PMMA后即可得到轉(zhuǎn)移后的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)薄膜，目標(biāo)基底可以是ニ氧化硅-硅基底、玻璃、塑料或云母等。本發(fā)明的再ー個目的是提供所述調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)的應(yīng)用。本發(fā)明所提供的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)的應(yīng)用包括在制備光電檢測器件(見圖10、12)，邏輯器件如反相器和倍頻器等中的應(yīng)用。該方法通過在石墨烯生長過程中對碳源進(jìn)行調(diào)節(jié)，制備出調(diào)制摻雜的石墨烯樣品，得到高質(zhì)量的單晶石墨烯Pn結(jié)。該方法得到的樣品面積只與銅箔大小有關(guān)，可推廣至大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明制備的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)具有很高遷移率，高效的光電轉(zhuǎn)化效率，其轉(zhuǎn)移特性曲線有雙Dirac點(diǎn)，可用于邏輯器件如反相器和倍頻器等。


圖I為本發(fā)明生長調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)所用的反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明生長調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)的過程示意圖3為轉(zhuǎn)移到ニ氧化硅-氧化硅基底表面的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)薄膜樣品的掃描電子顯微鏡照片；圖4為轉(zhuǎn)移到ニ氧化硅-氧化硅基底表面的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)孤島樣品的掃描電子顯微鏡照片；圖5為三次調(diào)制摻雜得到的多級石墨烯pn結(jié)的電子顯微鏡照片；圖6為轉(zhuǎn)移到4英寸硅片上的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)的照片；圖7為石墨稀場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)不意圖；圖8為實(shí)施例I中本征石墨烯、摻雜石墨烯以及跨過石墨烯pn結(jié)的電阻測量的輸出曲線；·
圖9為實(shí)施例I中測定的本征石墨烯、摻雜石墨烯以及石墨烯pn結(jié)的轉(zhuǎn)移特性曲線；圖10為實(shí)施例I中測定的單晶石墨烯pn結(jié)在光照與暗場下的輸出曲線；圖11為實(shí)施例I中測定的單晶石墨烯pn結(jié)處的光電流在柵壓調(diào)控下的曲線；圖12為七個pn結(jié)并聯(lián)的光電器件的掃描電子顯微鏡照片；圖13為pn結(jié)并聯(lián)器件的光電響應(yīng)曲線；圖14為調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)孤島的透射電鏡照片及其選區(qū)電子衍射圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。本發(fā)明所提供的大規(guī)模生長單晶石墨烯pn結(jié)的方法所采用的裝置示意圖如圖I所示。本發(fā)明所提供的大規(guī)模生長單晶石墨烯pn結(jié)的過程示意圖如圖2所示，其中編號I是銅箔基底，編號2是亞單層的本征石墨烯孤島，編號3是氮摻雜石墨烯，編號4是烘干后的PMMA薄膜，編號5是覆有300nm氧化硅層的硅基底；其中步驟A為通入碳源氣體生長本征石墨烯，步驟B為通入惰性氣體清理氣氛及通入こ腈蒸汽生長氮摻雜石墨烯，步驟C為在樣品表面懸涂PMMA溶液，步驟D為使用刻蝕劑刻蝕銅基底，步驟E為將PMMA支撐的調(diào)制摻雜石墨烯貼附在目標(biāo)基底上，步驟F為使用丙酮去除PMMA。實(shí)施例I、單次調(diào)制制備單級單晶石墨烯pn結(jié)I)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的稀鹽酸和去離子水依次清洗銅箔(Alfa Aesar公司生產(chǎn)，純度99. 8 %，厚度25 y m)，將銅箔置于帶有磁力控制裝置的套管中，再將套管置于管式爐中，在流量為5sCCm的氫氣氣氛下將爐體溫度升至1020°C，體系壓強(qiáng)約為10Pa，保持30min ；2)將爐體溫度降至1000°C，保持氫氣流量不變，通入流量為5sCCm的甲烷氣體，保持30s，體系壓強(qiáng)約為20Pa，完成本征石墨烯孤島的生長，其尺寸為為2-20 y m ;3)保持氫氣流量不變，關(guān)閉甲烷氣體，通入流量為200sCCm的氬氣氣體，保持3min，在通入氬氣的同時將爐體溫度降低至960°C ；4)保持爐體溫度穩(wěn)定在960°C，保持氫氣流量不變，關(guān)閉氬氣氣體，打開控制こ腈蒸汽的針閥，保持こ腈分壓為5Pa，生長時間3min，完成氮摻雜石墨烯的生長，此時得到連續(xù)的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)薄膜樣品，若生長時間為30s,將得到調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)孤島樣品；5)使用磁體將裝載銅箔的套管從高溫區(qū)拖出，將樣品溫度迅速降至室溫，同時關(guān)閉こ腈蒸汽，結(jié)束樣品生長；6)取出生長完畢的銅箔樣品，在樣品表面以2000rpm的轉(zhuǎn)速懸涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的PMMA乳酸こ酷溶液，懸涂時間Imin ;在熱臺上以170攝氏度將樣品烤干；使用90W的空氣等離子體對樣品反面進(jìn)行IOmin的刻蝕處理；7)使用濃度為IM的三氯化鐵溶液在室溫下刻蝕銅箔基底，刻蝕時間30min，得到由PMMA薄膜支撐的石墨烯樣品；依次用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的稀鹽酸和去離子水清洗樣品后將樣品貼附在覆有300nm氧化硅的硅基底表面，將薄膜在500W的紅外燈下烘干后使用丙酮去除PMMA薄膜。圖3為在覆有300nm氧化硅的硅基底上的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)薄膜的掃描·電子顯微鏡照片，圖4為調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)孤島樣品的掃描電子顯微鏡照片。其中淺色區(qū)域?yàn)楸菊魇?，深色區(qū)域?yàn)榈獡诫s石墨烯。單晶石墨烯pn結(jié)的光電性質(zhì)I、單晶石墨烯pn結(jié)的電阻。將石墨烯pn結(jié)轉(zhuǎn)移至Si02/Si襯底上，利用傳統(tǒng)的電子束曝光技術(shù)制備出場效應(yīng)晶體管(其結(jié)構(gòu)示意圖見圖7)，其掃描電子顯微鏡照片如圖8插圖所示，本征(i)和摻雜區(qū)域(n)用不同顏色標(biāo)出。分別用四端法測量本征石墨烯(CD段)、摻雜石墨烯(AB段)和跨過石墨烯pn結(jié)(BC段)的電阻,結(jié)果表明，跨過石墨烯pn結(jié)的電阻和本征區(qū)域的電阻相近，說明電子跨過單晶石墨烯pn結(jié)輸運(yùn)時，沒有額外的散射位點(diǎn)，這與單晶結(jié)沒有晶格位錯導(dǎo)致的缺陷相吻合，也是單晶石墨烯pn結(jié)的優(yōu)勢所在。2、轉(zhuǎn)移特性曲線。本征和摻雜石墨烯的轉(zhuǎn)移特性曲線分別有ー個Dirac點(diǎn)，而石墨烯Pn結(jié)的轉(zhuǎn)移特性曲線有兩個Dirac點(diǎn)，分別對應(yīng)本征區(qū)域和摻雜區(qū)域，如圖9所示。從轉(zhuǎn)移特性曲線的擬合可以分別得到本征和摻雜區(qū)域的遷移率。本征區(qū)域的遷移率大約為3000-4000cm2/V s (空穴)和2000_2500cm2/V s (電子);摻雜區(qū)域的遷移率則會低ー些，為2000-2500cm2/V s (空穴)和800-1000cm2/V s (電子)。摻雜區(qū)域的遷移率比已有的報道高 1-2 個數(shù)量級(參考文獻(xiàn)Jin, Z.，Yao, J.，Kittrell, C. &Tour, J. M. Large-ScaleGrowth and Characterizations of Nitrogen-Doped Monolayer Graphene Sheets. ACSNano 5,4112-4117(2011).)。3、光電轉(zhuǎn)換。單晶石墨烯pn結(jié)的高遷移率和低的散射位點(diǎn)為高效的光電轉(zhuǎn)換提供了基礎(chǔ)。石墨烯的光電轉(zhuǎn)換器件為含有單個石墨烯Pn結(jié)的場效應(yīng)晶體管(其結(jié)構(gòu)示意圖見圖7)，用632. Snm的聚焦激光(光斑大約I微米)作為激發(fā)光源。如圖10所示，當(dāng)把激光聚焦在pn結(jié)上時，輸出曲線與暗場相比出現(xiàn)了明顯的偏移，可以看出，在源漏之間的偏壓為零時即有光電流產(chǎn)生。對器件的光電流進(jìn)行空間掃描，可以發(fā)現(xiàn)Pn結(jié)處的光電流明顯強(qiáng)于石墨烯與金屬結(jié)處的光電流(見圖10插圖)。從圖11可以看出，光電流隨著柵壓的改變出現(xiàn)兩次反號，這與石墨烯的光熱電機(jī)理相符合。單晶石墨烯pn結(jié)的光熱電效率可以與石墨烯/金屬結(jié)的光伏效率相比擬，有望在高頻光電檢測領(lǐng)域中得到應(yīng)用。值得ー提的是，我們制備出大面積的pn結(jié)便于制備集成器件。如圖12所示為7個pn結(jié)并聯(lián)的器件，當(dāng)激光同時照射Pn結(jié)2、3和4時，其光電流可以有加和的效應(yīng)(見圖13)。這為大規(guī)模制備的石墨烯pn結(jié)指明了很好的應(yīng)用前景。透射電子顯微鏡及其選區(qū)電子衍射圖證明了該方法制備的石墨烯pn結(jié)為單晶pn結(jié)。為了便于找到Pn結(jié)的位置，我們選用調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)孤島樣品來做透射電鏡表征，圖14為該樣品的透射電子顯微鏡照片，孤島的中心為本征石墨烯，邊緣約2 的區(qū)域?yàn)閾诫s石墨烯(如圖4所示)。選取pn結(jié)孤島中的摻雜(區(qū)域I和6)和本征區(qū)域(2-5)分別進(jìn)行電子衍射成像，可以看出，6個區(qū)域的衍射斑點(diǎn)均為六方対稱的圖案，而且衍射斑的取向都在10°左右，說明孤島中本征和摻雜石墨烯的晶格取向一致，石墨烯pn結(jié)為單晶結(jié)。連續(xù)的調(diào)制摻雜石墨烯pn節(jié)樣品，在透射電鏡下很難定位到本征和摻雜區(qū)域，不易進(jìn)行表征，但由于連續(xù)樣品是在孤島樣品的基礎(chǔ)上延長生長時間得到的，其結(jié)構(gòu)是一致的，連續(xù)的調(diào)制摻雜石墨烯Pn結(jié)也是單晶結(jié)。實(shí)施例2、三次調(diào)制制備多級石墨烯pn結(jié)I)步驟同實(shí)施例I步驟I)；2)將爐體溫度調(diào)至980°C，保持氫氣流量不變，通入流量為5Sccm的甲烷氣體，保持IOs,體系壓強(qiáng)約為20Pa,完成本征石墨烯的生長,其尺寸為2-5 ii m ;3)保持爐體溫度及氫氣流量不變，關(guān)閉甲烷氣體，通入流量為200sccm的氬氣氣體，保持3min，在通入氬氣的同時將爐體溫度降低至900°C ；4)將爐體溫度穩(wěn)定在900°C，保持氫氣流量不變，關(guān)閉氬氣氣體，打開控制こ腈蒸汽的針閥，保持こ腈分壓為5Pa,生長時間IOs,完成氮摻雜石墨烯的生長；5)重復(fù)步驟(2)-(4)兩次，隨后繼續(xù)保持こ腈蒸汽打開2min，得到連續(xù)的調(diào)制摻雜石墨烯薄膜；6)步驟同實(shí)施例I步驟(5)；7)步驟同實(shí)施例I步驟(6)；8)使用濃度為IM的三氯化鐵溶液在室溫下刻蝕銅箔基底，刻蝕時間30min，得到由PMMA薄膜支撐的石墨烯樣品；依次用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的稀鹽酸和去離子水清洗樣品后將樣品貼附在覆有300nm氧化硅的硅基底表面，將薄膜在500W的紅外燈下烘干后使用丙酮去除PMMA薄膜。圖5為在覆有300nm氧化硅的硅基底上的調(diào)制摻雜石墨烯的掃描電子顯微鏡照片，其中淺色區(qū)域?yàn)楸菊魇﹨^(qū)域，深色區(qū)域?qū)?yīng)氮摻雜石墨烯區(qū)域。這種多級摻雜的結(jié)構(gòu)對于石墨烯的納電子學(xué)具有重要意義，特別是當(dāng)調(diào)制寬度縮短至納米量級時，將會出現(xiàn)許多有趣的電子干涉現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種制備調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)的方法，包括下述步驟 1)將銅箔置于反應(yīng)器中并在還原性氣氛下進(jìn)行退火； 2)在980-1020°C溫度下向所述反應(yīng)器中通入碳源氣體與還原性氣體的混合氣體，在步驟I)退火后的銅箔表面生長亞單層的本征石墨烯孤島； 3)向所述反應(yīng)器中通入惰性氣體與還原性氣體的混合氣體，以除去步驟2)中通入的碳源氣體；同時將體系溫度降低至900-960°C ； 4)維持體系溫度在900-960°C，向所述反應(yīng)器中通入含氮碳源與還原性氣體的混合氣體，在步驟2)所述本征石墨烯孤島的間隙中，以已有的孤島邊緣為起點(diǎn)生長氮摻雜的石墨烯； 5)重復(fù)所述步驟2)-4)的操作至少O次，得到單級或多級的石墨烯pn結(jié)； 6)降低體系溫度至室溫使得生長不再進(jìn)行，得到沉積在銅箔表面的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟I)中所述銅箔的厚度為20 μ m-100 μ m,使用前經(jīng)質(zhì)量濃度5%的鹽酸及去離子水對表面進(jìn)行常溫清洗； 所述退火的溫度為980-1040°C，退火時間為20min-60min ;所述還原性氣氛為氫氣氣氛，流量為2sccm-20sccm,體系的壓強(qiáng)為lPa_50Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于步驟2)中所述碳源氣體為甲烷氣體、乙烯或苯,所述甲燒氣體的純度不低于99. 999%,所述甲燒氣體的流量為lsccm-5sccm ;所述還原性氣體為氫氣，其流量為2-20SCCm ;體系的壓強(qiáng)為10Pa_20Pa ;所述生長的時間為10s-30s ;所述本征石墨烯孤島的尺寸在2 μ m-20 μ m之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于步驟3)中所述惰性氣體為氬氣，其流量為50sccm-200sccm ;所述還原性氣體為氫氣，其流量為2-20sccm ;通入惰性氣體與還原性氣體的混合氣體的時間為I_3min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于步驟4)中所述含氮碳源為乙腈蒸汽或吡啶蒸汽，體系中所述乙腈蒸汽或吡啶蒸汽的分壓為l_5Pa ;所述還原性氣體為氫氣，其流量為2-20sccm ； 所述生長的時間小于30s，生長得到的是孤立的調(diào)制摻雜石墨烯孤島； 所述生長時間大于3min，生長得到的是連續(xù)的調(diào)制摻雜石墨烯薄膜； 所述生長時間在30s-3min之間，生長得到的是準(zhǔn)連續(xù)的調(diào)制摻雜石墨烯薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述方法還包括將步驟6)得到的沉積在銅箔表面的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)使用聚甲基丙烯酸甲酯轉(zhuǎn)移到任意目標(biāo)基底表面的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述步驟具體如下將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% -5%的聚甲基丙烯酸甲酯的乳酸乙酯溶液懸涂于調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)表面，制得聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，所述懸涂速率為1000rpm-4000rpm，懸涂時間為30s_60s ;隨后在170°C下進(jìn)行60s以上的烘烤；使用濃度不低于IM的三氯化鐵酸性溶液或過硫酸鹽溶液作為銅箔的刻蝕劑對銅進(jìn)行刻蝕，刻蝕時間為5min-30min，得到由聚甲基丙烯酸甲酯支撐的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)薄膜；將該薄膜置于目標(biāo)基底上晾干并使用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯后即可得到轉(zhuǎn)移后的調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)薄膜。
8.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法制備得到的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)。
9.權(quán)利要求8所述的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)在制備光電檢測器件中的應(yīng)用。
10.權(quán)利要求8所述的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)在制備邏輯器件中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)及其制備方法。所述調(diào)制摻雜石墨烯pn結(jié)是按照包括下述步驟的方法制備得到的1)對銅箔基底進(jìn)行退火處理；2)在銅箔表面以甲烷為碳源生長亞單層本征石墨烯孤立；3)使用惰性氣體清理生長體系；4)以乙腈蒸汽為含氮碳源，在本征石墨烯孤島邊界生長氮摻雜石墨烯；5)重復(fù)步驟2)-4)的操作至少0次，得到單級或多級石墨烯pn結(jié)；6)快速降溫終止生長過程；7)以PMMA為媒介將調(diào)制摻雜生長得到的石墨烯pn結(jié)轉(zhuǎn)移到任意目標(biāo)基底上。本發(fā)明通過在石墨烯生長過程中對碳源進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到高質(zhì)量的調(diào)制摻雜單晶石墨烯pn結(jié)。該產(chǎn)品具有很高遷移率，高效的光電轉(zhuǎn)化效率，其轉(zhuǎn)移特性曲線有雙Dirac點(diǎn)，可用于邏輯器件如反相器和倍頻器等。
文檔編號C01B31/04GK102953118SQ20121045058
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者劉忠范, 剡剴, 吳迪, 彭海琳 申請人:北京大學(xué)