一種調(diào)控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種調(diào)控SiC基外延石墨稀電子帶隙的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是單層碳原子薄膜，是典型的二維晶體材料。因?yàn)槠鋬?yōu)越的物理及化學(xué)性 能，其研究領(lǐng)域已經(jīng)深入到了電子器件、傳感器、儲(chǔ)能、調(diào)制器等范圍。因?yàn)槭┰诘依?點(diǎn)附近獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，其擁有許多特有的性質(zhì)。有科學(xué)家大膽預(yù)測(cè)石墨烯終將取代硅成 為電子信息領(lǐng)域的首選材料。但是其零電子帶隙的特點(diǎn)已經(jīng)嚴(yán)重制約了其應(yīng)用范圍，因此 打開(kāi)并調(diào)控石墨烯的電子帶隙，是決定其能否成功應(yīng)用于電子信息領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。目前 來(lái)說(shuō)關(guān)于調(diào)控石墨烯能隙的研究可以分為：納米條帶、雙層石墨烯、襯底效應(yīng)、引入缺陷等 類型。
[0003] 受目前制備工藝的制約，納米條帶的尺寸不可隨意縮??；電場(chǎng)誘導(dǎo)方式控制雙層 石墨烯的電子帶隙對(duì)層數(shù)及石墨烯晶格完美性要求非常嚴(yán)苛；襯底效應(yīng)產(chǎn)生的電子帶隙不 具備可調(diào)性。綜上所述，前兩種電子帶隙的調(diào)控方式都受到了制備工藝的制約；襯底效應(yīng)僅 能引起確定大小的帶隙；相比之下通過(guò)缺陷結(jié)構(gòu)調(diào)控電子帶隙不受制備工藝及襯底材料的 限制，具有迷人的前景擁有重要的研究?jī)r(jià)值。缺陷結(jié)構(gòu)可以調(diào)控石墨烯的電子帶隙，因此在 石墨烯中引入可控的缺陷結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯能隙調(diào)控優(yōu)選途徑。離子束的種類、能量、 劑量等輻照條件可以精確控制，可控性及重復(fù)性是離子輻照方法的主要優(yōu)點(diǎn)。因此離子輻 照方法可以克服其他方法可控性及重復(fù)性差的缺點(diǎn)，該方法是在石墨烯中產(chǎn)生缺陷結(jié)構(gòu)的 優(yōu)選方案。本發(fā)明選用離子輻照方法在石墨烯中產(chǎn)生可控的缺陷結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控石墨烯的 電子帶隙。
[0004] 狄增峰等人提交的申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210174733的發(fā)明專利"一種基于離子注入技 術(shù)打開(kāi)石墨烯帶隙的方法"。該方法首先用離子注入技術(shù)轟擊石墨烯表面，使其表面產(chǎn)生 缺陷(空位)，然后選擇在合適的氣體氣氛中退火，完成N型或者P型摻雜，從而打開(kāi)帶隙。該 發(fā)明有如下缺點(diǎn)：注入離子種類限定為P離子，這種限制要求使用專用離子源，抬高注入成 本；該發(fā)明專利目的為打開(kāi)帶隙，沒(méi)有說(shuō)明電子帶隙的可調(diào)控性，限制了其應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了克服以上技術(shù)的不足，提供了一種可控性強(qiáng)以及重復(fù)性能優(yōu)良的調(diào)控 SiC基外延石墨稀電子帶隙的方法。
[0006] 本發(fā)明克服其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是： 一種調(diào)控SiC基外延石墨稀電子帶隙的方法，依次包括如下步驟： a)準(zhǔn)備外延石墨稀樣品，通過(guò)SRIM軟件計(jì)算離子在SiC晶體中的損傷分布、電子能量 損失和核能量損失分布，輻射離子種類為H或He中的一種輕離子以及原子量為6-40之間

石墨稀的能帶結(jié)構(gòu)； b) 用離子束對(duì)SiC基外延石墨烯樣品進(jìn)行輻照，輻照離子穿過(guò)石墨烯進(jìn)入SiC襯底并 停留在襯底中，離子束中的輻照離子穿過(guò)石墨烯時(shí)產(chǎn)生電子能量沉積導(dǎo)致石墨烯晶格機(jī)構(gòu) 移位缺陷產(chǎn)生，部分輻照離子與碳原子核發(fā)生碰撞產(chǎn)生空位缺陷，輻照后形成帶有缺陷結(jié) 構(gòu)的外延石墨烯； c) 分別采用金相顯微鏡觀察石墨烯輻照前后的金相結(jié)構(gòu)以及通過(guò)掃描電子顯微鏡觀 察石墨烯輻照前后表面褶皺變化； d) 測(cè)試不同離子福照的拉曼光譜，拉曼光譜中的G峰為碳sp2結(jié)構(gòu)的特征峰，拉曼光
到缺陷結(jié)構(gòu)隨輻照條件的變化關(guān)系； e) 用紅外光譜測(cè)試外延石墨烯中的帶隙。
[0007] 上述步驟b)中的離子束種類為H或He的輕離子，其離子能量為25keV-500keV，離
[0008] 上述步驟b)中的尚子束種類為原子量為6-40之間的中間質(zhì)量尚子，其尚子能量
[0009] 為了提高缺陷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，執(zhí)行完步驟d)后對(duì)輻照后的石墨烯進(jìn)行真空退火 處理，得到穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)。
[0010] 為了進(jìn)一步實(shí)時(shí)觀察石墨烯在輻照過(guò)程中的形貌變化，在步驟C)中利用原子力 顯微鏡觀察石墨烯輻照前后表面粗糙度的變化。
[0011] 為了進(jìn)一步實(shí)時(shí)觀察石墨烯在輻照過(guò)程中的形貌變化，在步驟C)中利用掃描探 針顯微鏡得出石墨烯缺陷狀態(tài)的具體結(jié)構(gòu)。
[0012] 上述中間質(zhì)量離子為B或C或N或0或Si或P或Ar中的一種。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明用離子束轟擊SiC基外延石墨烯，轟掉一些碳原子 并使部分碳原子移位，產(chǎn)生移位及空位缺陷；然后再在真空氛圍中退火得到穩(wěn)定的缺陷結(jié) 構(gòu)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控帶隙的目的。使石墨烯中具有可控的缺陷結(jié)構(gòu)，從而可調(diào)石墨烯的電子帶隙， 克服了傳統(tǒng)工藝可控性及重復(fù)性差的特點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0015] -種調(diào)控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法，依次包括如下步驟：a)準(zhǔn)備外延石 墨稀樣品，通過(guò)SRIM軟件計(jì)算離子在SiC晶體中的損傷分布、電子能量損失和核能量損失 分布，福射尚子種類為H或He中的一種輕尚子以及原子量為6-40之間的中間質(zhì)量尚子，

結(jié)構(gòu)。目的是應(yīng)用理論模擬離子與固體相互作用的軟件SR頂進(jìn)行理論模擬計(jì)算出石墨烯 的能帶結(jié)構(gòu)，為后續(xù)步驟提供理論基礎(chǔ)。
[0016] b)用離子束對(duì)SiC基外延石墨稀樣品進(jìn)行福照，福照離子穿過(guò)石墨稀進(jìn)入SiC襯 底并停留在襯底中，離子束中的輻照離子穿過(guò)石墨烯時(shí)產(chǎn)生電子能量沉積導(dǎo)致石墨烯晶格 機(jī)構(gòu)移位缺陷產(chǎn)生，部分輻照離子與碳原子核發(fā)生碰撞產(chǎn)生空位缺陷，輻照后形成帶有缺 陷結(jié)構(gòu)的外延石墨烯。其中的離子束種類為原子量為6-40之間的中間質(zhì)量離子，其離子
串列加速器上完成。
[0017] c)分別采用金相顯微鏡觀察石墨烯輻照前后的金相結(jié)構(gòu)以及通過(guò)掃描電子顯微 鏡觀察石墨烯輻照前后表面褶皺變化，以便于對(duì)石墨烯輻照過(guò)程中形貌的實(shí)時(shí)得知。進(jìn)一 步的，在步驟c)中還可以利用原子力顯微鏡觀察石墨烯輻照前后表面粗糙度的變化，給出 輻照前后石墨烯表面粗糙度的改變。利用掃描探針顯微鏡可以得出石墨烯缺陷狀態(tài)的具體 結(jié)構(gòu)的改變。
[0018] d)測(cè)試不同離子福照的拉曼光譜，拉曼光譜中的G峰為碳sp2結(jié)構(gòu)的特征峰，拉曼
得到缺陷結(jié)構(gòu)隨輻照條件的變化關(guān)系。
[0019] e)最終用紅外光譜測(cè)試外延石墨烯中的帶隙。紅外光譜法是測(cè)試電子帶隙的簡(jiǎn) 單、直觀、有效的方法，可以通過(guò)輻照前后紅外吸收光譜的對(duì)比，探測(cè)石墨烯的帶隙。
[0020] 本發(fā)明用離子束轟擊SiC基外延石墨烯，轟掉一些碳原子并使部分碳原子移位， 產(chǎn)生移位及空位缺陷；然后再在真空氛圍中退火得到穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控帶隙的目 的。使石墨烯中具有可控的缺陷結(jié)構(gòu)，從而可調(diào)石墨烯的電子帶隙，克服了傳統(tǒng)工藝可控性 及重復(fù)性差的特點(diǎn)。
[0021] 進(jìn)一步的，上述步驟b)中的離子束種類為H或He的輕離子，其離子能量為
或Si或P或Ar中的一種。
[0022] 由于石墨稀本身在尚溫下與氧氣反應(yīng)的特點(diǎn)，因此進(jìn)一步的，執(zhí)彳丁完步驟d)后對(duì) 輻照后的石墨烯進(jìn)行真空退火處理，得到穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種調(diào)控Sic基外延石墨烯電子帶隙的方法，其特征在于，依次包括如下步驟： a) 準(zhǔn)備外延石墨稀樣品，通過(guò)SRIM軟件計(jì)算離子在SiC晶體中的損傷分布、電子能量 損失和核能量損失分布，輻射離子種類為H或He中的一種輕離子以及原子量為6-40之間 的中間質(zhì)量離子，輕離子能量為25keV~500keV、劑量為ixlCJ13lxl?i7i〇Bs/cBi7-，中間質(zhì) 量離子能量為500keV~6MeV、劑量為ba?12 -，通過(guò)第一性原理計(jì)算缺陷 石墨稀的能帶結(jié)構(gòu)； b) 用離子束對(duì)SiC基外延石墨烯樣品進(jìn)行輻照，輻照離子穿過(guò)石墨烯進(jìn)入SiC襯底并 停留在襯底中，離子束中的輻照離子穿過(guò)石墨烯時(shí)產(chǎn)生電子能量沉積導(dǎo)致石墨烯晶格機(jī)構(gòu) 移位缺陷產(chǎn)生，部分輻照離子與碳原子核發(fā)生碰撞產(chǎn)生空位缺陷，輻照后形成帶有缺陷結(jié) 構(gòu)的外延石墨烯； c) 分別采用金相顯微鏡觀察石墨烯輻照前后的金相結(jié)構(gòu)以及通過(guò)掃描電子顯微鏡觀 察石墨烯輻照前后表面褶皺變化； d) 測(cè)試不同離子福照的拉曼光譜，拉曼光譜中的G峰為碳sp2結(jié)構(gòu)的特征峰，拉曼光 譜中的D峰為缺陷峰，G峰強(qiáng)度為％:;丨，其取值為婦75-15^??-1，D峰強(qiáng)度為其取值為 1343 ，通過(guò)公式^計(jì)算不同輻照條件下的石墨烯樣品的晶格缺陷量，進(jìn)而得 % 到缺陷結(jié)構(gòu)隨輻照條件的變化關(guān)系； e) 用紅外光譜測(cè)試外延石墨烯中的帶隙。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法，其特征在于：所 述步驟b)中的離子束種類為H或He的輕離子，其離子能量為25keV-500keV，離子劑量為 :|%喊3-〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法，其特征在于： 所述步驟b)中的離子束種類為原子量為6-40之間的中間質(zhì)量離子，其離子能量為 5〇OkeV_6MeV，離子劑量為_(kāi)lxl〇i3 -lxlGiSi〇ns,，〇B3 〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的調(diào)控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法，其特征在 于：執(zhí)行完步驟d)后對(duì)輻照后的石墨烯進(jìn)行真空退火處理，得到穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的調(diào)控SiC基外延石墨稀電子帶隙的方法，其特征在于：在步 驟c)中利用原子力顯微鏡觀察石墨烯輻照前后表面粗糙度的變化。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的調(diào)控SiC基外延石墨稀電子帶隙的方法，其特征在于：在步 驟c)中利用掃描探針顯微鏡得出石墨烯缺陷狀態(tài)的具體結(jié)構(gòu)。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的調(diào)控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法，其特征在于：所述 中間質(zhì)量離子為B或C或N或0或Si或P或Ar中的一種。
【專利摘要】一種調(diào)控SiC基外延石墨烯電子帶隙的方法，包括如下步驟：a)通過(guò)SRIM軟件計(jì)算輻照離子在SiC晶體中產(chǎn)生的損傷分布、電子能量損失和核能量損失分布，計(jì)算缺陷石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)；b)用離子束對(duì)SiC基外延石墨烯樣品進(jìn)行輻照，形成帶有缺陷結(jié)構(gòu)的外延石墨烯；c)分別采用金相顯微鏡觀察石墨烯輻照前后的金相結(jié)構(gòu)以及通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察石墨烯輻照前后表面褶皺變化；d)測(cè)通過(guò)公式？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？計(jì)算不同輻照條件下的石墨烯樣品的晶格缺陷量；e)用紅外光譜測(cè)試外延石墨烯中的帶隙，實(shí)現(xiàn)調(diào)控帶隙的目的。用離子輻照方法使石墨烯中產(chǎn)生可控的缺陷結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控石墨烯的電子帶隙，克服了傳統(tǒng)工藝可控性及重復(fù)性差的特點(diǎn)。
【IPC分類】C30B33/02, C30B33/04
【公開(kāi)號(hào)】CN105088350
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510503823
【發(fā)明人】趙金花, 秦希峰, 王鳳翔, 付剛
【申請(qǐng)人】山東建筑大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年8月17日