專利名稱：石墨烯器件和制造石墨烯器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請總體涉及包括石墨烯的器件以及用于制造包括石墨烯的器件的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是由Sp2鍵合的碳原子密集堆積成蜂窩狀晶格而形成的一個(gè)原子厚的平面片。可以將石墨烯看成由碳原子及其化學(xué)鍵構(gòu)成的原子尺度的絲網(wǎng)。石墨烯展現(xiàn)出在其他材料中未發(fā)現(xiàn)的、新類型的基本物理特性。從器件角度而言，最為感興趣的是具有彈道輸運(yùn)的高電荷載流子遷移率、高電流密度、高熱導(dǎo)率以及控制電特性的可能性。在2004年，通過對石墨塊體的機(jī)械剝離，能證實(shí)地分離出單石墨烯片，該石墨烯片是真實(shí)二維的、原子厚度的碳晶體。近來已發(fā)現(xiàn)可以制造石墨烯片。這些石墨烯片是良好的導(dǎo)體，例如是硅MOSFET 的約20倍。已對例如由碳納米管或硅納米線制成的納米線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多年的研究。然而，這些網(wǎng)絡(luò)因網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的高電阻線到線連接而具有相當(dāng)?shù)偷膫鲗?dǎo)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例的各個(gè)方面在權(quán)利要求書中進(jìn)行闡述。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種器件包括多孔石墨烯層，該多孔石墨烯層包括多個(gè)細(xì)孔(pore)。該器件可以包括具有介于和99%之間的孔隙率的多孔石墨烯層。多孔石墨烯層可以包括納米帶，該納米帶具有介于0. Inm和20nm之間的寬度。多孔石墨烯層可以具有如下的孔隙率，該孔隙率使得并且被配置成使得多孔石墨烯層是半導(dǎo)體。該器件可以包括襯底，其中多孔石墨烯層定位在襯底上。襯底可以被配置成使得其是柔性的或可伸展的。該器件可以包括襯底，并且多孔石墨烯層可以覆蓋襯底上的介于1 μ m2和IOcm2之間的面積。 多孔石墨烯層可以包括單原子多孔石墨烯層。該器件可以包括石墨烯電極，該石墨烯電極具有連續(xù)的石墨烯層，該連續(xù)的石墨烯層具有介于Iym2和IOcm2之間的面積。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種方法包括蝕刻石墨烯層，以及使用納米線掩膜抑制所述蝕刻。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，一種電子器件包括第一石墨烯電極；第二石墨烯電極；石墨烯半導(dǎo)體；以及電源，其中所述石墨烯半導(dǎo)體、所述第一石墨烯電極以及所述第二石墨烯電極被配置成使得通過電源在第一石墨烯電極中的第一位置和第二石墨烯電極中的第二位置之間的電流供應(yīng)在第一位置和第二位置之間建立電勢差，并且使得電勢差隨著第一位置或第二位置的變化而保持為實(shí)質(zhì)上恒定。
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根據(jù)本發(fā)明的第四方面，一種電子器件包括第一石墨烯電極、第二石墨烯電極、石墨烯半導(dǎo)體以及電源，該石墨烯半導(dǎo)體、該第一石墨烯電極以及該第二石墨烯電極均被配置成使得通過電源在第一石墨烯電極中的第一點(diǎn)和第二石墨烯電極中的第二點(diǎn)之間的電流供應(yīng)在所述點(diǎn)之間建立電勢差，并且使得在第一石墨烯電極兩端實(shí)質(zhì)上不存在電勢差， 并且在第二石墨烯電極兩端實(shí)質(zhì)上不存在電勢差。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，一種在第一石墨烯電極中的第一點(diǎn)和第二石墨烯電極中的第二點(diǎn)之間施加電勢差的方法包括將石墨烯半導(dǎo)體定位于兩個(gè)電極之間；(ii)使得電流通過石墨烯半導(dǎo)體并且在第一點(diǎn)和第二點(diǎn)之間通過，從而使得在第一點(diǎn)和第二點(diǎn)之間建立電勢差，并且使得在第一石墨烯電極兩端實(shí)質(zhì)上不存在電勢差，并且在第二石墨烯電極兩端實(shí)質(zhì)上不存在電勢差。


為了更為完整地理解本發(fā)明的示例實(shí)施方式，現(xiàn)在參考下面結(jié)合所附附圖的描述，其中圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的用于制造器件的工藝；圖2顯示了用于圖1工藝中的階段之一的兩種變體；以及圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的器件。
具體實(shí)施例方式通過參考附圖中的圖1至圖3來理解本發(fā)明的示例實(shí)施方式及其潛在優(yōu)勢。圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的制造工藝。初始步驟1是在襯底11上沉積石墨烯層12。在US20090110627中描述了用于實(shí)施該沉積的一個(gè)示例工藝。石墨烯沉積工藝包括形成石墨化催化劑；在存在石墨化催化劑的情形下熱處理氣態(tài)碳源以形成石墨烯； 以及冷卻石墨烯以形成石墨烯層12。氣態(tài)碳源可以包括具有含1至7個(gè)碳原子的分子的化合物，該氣態(tài)碳源可以包括選自如下的化合物一氧化碳、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、環(huán)戊二烯、己烷、環(huán)己烷、苯、甲苯、甲烷，以及包括前述化合物中至少一種的組合。熱處理可以以介于300°C至約2000°C之間的溫度執(zhí)行約0. 001小時(shí)至約1000小時(shí)。石墨化催化劑可以包括 Ni、Co、Fe、Pt、Au、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Mo、Rh、Si、Ta、Ti、W、U、 V、Zr或它們的任意組合。還進(jìn)一步與氣態(tài)碳源一起供應(yīng)氫。通過如Alfonso Reina 等人在 Nano Letters，9 (1)，30-35 (2009)中描述的化學(xué)汽相沉積，或通過如Mankovich，S.等人在Carbon 2007，45 (7)，1558-1565中描述的經(jīng)剝離的石墨氧化物的化學(xué)還原來制造石墨烯膜12。一旦已沉積了石墨烯層12，則可以在步驟2處在石墨烯層12上通過使用氫倍半硅氧烷(HSQ)抗蝕劑的電子束光刻來制造連續(xù)的掩膜16，如aiihong Chen等人在 "Semiconducting Graphene Ribbon Transistor，，，IEEE Xplore,第 265 頁-第 266 頁中描述的那樣。備選地，一旦已沉積石墨烯層12，則可以在步驟2處在石墨烯層12上通過旋涂工藝使用氫倍半硅氧烷(HSQ)沉積來制造連續(xù)的掩膜16。在US 6，232，662中描述了該工藝的示例。一旦已經(jīng)沉積了連續(xù)的掩膜16，則在步驟3a處沉積納米線掩膜14。納米線掩膜包括納米線，諸如可以被隨機(jī)定向的硅納米線。步驟3a可以包括在犧牲襯底上制造硅納米線以及通過機(jī)械接觸壓力將硅納米線傳送至石墨烯層12上。A. Javey等人在 Nano Lett.2007，7，773中描述了步驟3a的示例。納米線沉積的備選方法是旋模(spin casting)、噴墨印刷、剪切力接觸印刷或納米線懸浮(nanowire suspension)，如Alan Coli 等人在“Nanowire lithography on silicon”，Nano Lett, Vol 8, No 5，2008，第 1358 頁至第1362頁中描述的。一旦已經(jīng)沉積了納米線掩膜14，則在步驟4處通過蝕刻移除不在連續(xù)的掩膜或納米線掩膜14之下的石墨烯。這可以例如通過在反應(yīng)離子蝕刻裝置中使用氧等離子體來實(shí)施。B. Ozyilmaz 等人在 Appl. Phys. Lett. 91，192107(2007)中描述了蝕刻的一個(gè)示例。一旦完成了步驟4，則在步驟5處移除連續(xù)的掩膜16，步驟5包括反應(yīng)離子蝕刻的工藝。在US 6，211，063中描述了該工藝的示例。例如Yue Wu等人在“Single-crystal metallic nanowires and metal/semiconductor nanowire heterostructures，，， Nature, Vol 430,2004年7月1日，第61至第65頁中描述的那樣，通過使用氟化氫溶液來移除納米線掩膜。移除部分石墨烯層12導(dǎo)致形成具有多個(gè)細(xì)孔的多孔石墨烯層15，該細(xì)孔可以對應(yīng)于納米線在納米線掩膜14中的位置。多孔石墨烯層15可以包括許多石墨烯納米帶，每個(gè)納米帶具有最小的尺度，該最小的尺度在襯底平面中測量為介于Inm至20nm之間。一些石墨烯納米帶可以是填隙式納米帶，每個(gè)填隙式納米帶定位成介于在石墨烯層15中形成的至少兩個(gè)細(xì)孔之間。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，可以重復(fù)在圖1中顯示的工藝，例外之處在于步驟3，可以由備選的步驟北替換步驟3。在圖2中顯示了步驟3a和步驟北。步驟3a與圖1中的步驟3相同。步驟北與步驟3a不同之處在于在連續(xù)的掩膜16的鄰近施加電場，從而沉積對準(zhǔn)的納米線掩膜14b。經(jīng)對準(zhǔn)的納米線掩膜14b包括通過電場的存在而對準(zhǔn)的納米線。包括一個(gè)或多個(gè)石墨烯帶的組件的電特性可以通過改變一個(gè)帶或一些帶的寬度而更改。組件基于該寬度可以是半導(dǎo)體或金屬導(dǎo)體。圖3顯示了通過運(yùn)用圖1的工藝，或者通過該工藝的變體(部分地在圖2中描繪) 來制造的器件。器件31包括電源32、第一石墨烯電極17以及第二石墨烯電極18。該器件還包括石墨烯半導(dǎo)體15，該石墨烯半導(dǎo)體15介于第一石墨烯電極17和第二石墨烯電極18 之間并與第一石墨烯電極17和第二石墨烯電極18電接觸。已表明，當(dāng)石墨烯被限制為納米帶時(shí)，石墨烯從半金屬化變化為半傳導(dǎo)材料，石墨烯半導(dǎo)體15因而包括這樣的納米帶。在第一石墨烯電極17中的第一點(diǎn)37和第二石墨烯電極18中的第二點(diǎn)38之間施加電勢差， 并且電流在第一點(diǎn)37和第二點(diǎn)38之間經(jīng)過石墨烯半導(dǎo)體15，從而在第一點(diǎn)和第二點(diǎn)之間建立電勢差，并且使得在第一石墨烯電極17兩端實(shí)質(zhì)上不存在電勢差以及在第二石墨烯 18兩端實(shí)質(zhì)上不存在電勢差。換言之，電勢差隨著第一位置或第二位置的變化而保持恒定。 石墨烯電極17、18以及石墨烯半導(dǎo)體15可以具有低的吸收系數(shù)和/或可以是柔性的和/ 或可伸展的。圖3中的器件31因而可以至少部分地是柔性的和/或可伸展的，并且通過其組件的一些至少部分地傳輸光。圖3中的器件的修改可以包括柵極電極，該柵極電極被布置為介于電極17和電極18之間并與半導(dǎo)體15接觸，可以對該柵極電極施加電勢，從而使得該修改可以形成場效應(yīng)晶體管的一部分。不以任何方式限制下面出現(xiàn)的權(quán)利要求書的范圍、解讀或應(yīng)用，在此公開的示例實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)的技術(shù)效果可以是制造大表面面積的石墨烯層。在此公開的示例實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)的另一技術(shù)效果可以是制造透明電子器件。在此公開的示例實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)的另一技術(shù)效果可以是制造柔性的和/或可伸展的電子器件。又一技術(shù)優(yōu)勢可以是高的電荷載流子遷移率。又一優(yōu)勢可以是彈道輸運(yùn)、高的電流密度、高的熱導(dǎo)率、以及控制電特性的可能性中的至少一種。如果期望，則可以以不同的順序和/或彼此并行地執(zhí)行在此論述的不同功能。此夕卜，如果期望，則上述功能中的一個(gè)或多個(gè)可以是可選的或可以是組合的。雖然在獨(dú)立權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的各種方面，但是本發(fā)明的其他一些方面包括來自所描述的實(shí)施方式和/或具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的從屬權(quán)利要求的特征的其他組合，而并非僅是在權(quán)利要求書中明確闡述的組合。在此還注意到雖然上面描述了本發(fā)明的示例實(shí)施方式，但是這些描述不應(yīng)被視為限制性的。而是，在不偏離本發(fā)明的所附權(quán)利要求中限定的范圍的前提下可以做出若干變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括多孔石墨烯層，所述多孔石墨烯層包括多個(gè)細(xì)孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，包括多個(gè)多孔石墨烯層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述多孔石墨烯層包括石墨烯帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中所述多孔石墨烯層包括多個(gè)石墨烯帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中所述多孔石墨烯層包括多個(gè)石墨烯帶，所述石墨烯帶被配置成基本對準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中所述石墨烯帶包括石墨烯納米帶。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中所述多孔石墨烯層包括多個(gè)石墨烯納米帶。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述器件包括石墨烯電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中所述器件包括多個(gè)石墨烯電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中所述石墨烯電極包括石墨烯導(dǎo)體。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中所述石墨烯電極表面面積的至少90%被配置成與絕緣體接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中所述石墨烯電極包括連續(xù)的石墨烯層。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其中所述多孔石墨烯層電連接所述石墨烯電極中的兩個(gè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其中所述多孔石墨烯層電連接所述石墨烯電極中的每一個(gè)。
15.一種方法，包括蝕刻石墨烯層，以及使用納米線掩膜抑制所述蝕刻。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述方法包括在所述石墨烯層上沉積多個(gè)納米線以形成所述納米線掩膜。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述納米線掩膜包括硅或氧化硅。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述方法包括在所述蝕刻之后實(shí)質(zhì)上移除所有的納米線掩膜。
19.一種電子器件，包括 第一石墨烯電極，第二石墨烯電極， 石墨烯半導(dǎo)體，以及電源，其中所述石墨烯半導(dǎo)體、所述第一石墨烯電極以及所述第二石墨烯電極被配置成使得通過所述電源在所述第一石墨烯電極中的第一位置和所述第二石墨烯電極中的第二位置之間的電流供應(yīng)在所述第一位置和所述第二位置之間建立電勢差，并且使得所述電勢差隨著所述第一位置和所述第二位置的變化而保持實(shí)質(zhì)上恒定。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電子器件，其中所述石墨烯半導(dǎo)體包括石墨烯納米帶，其中所述納米帶具有介于0. Inm和20nm之間的寬度。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方式，一種器件包括一個(gè)或多個(gè)多孔石墨烯層，每個(gè)石墨烯多孔層包括多個(gè)細(xì)孔。該器件可以形成柔性的、和/或可伸展的、和/或透明電子器件中的至少一部分。
文檔編號H01L21/203GK102471069SQ201080029846
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者A·M·卡凱南, A·庫利, L·M·J·卡凱南, M·A·雨西塔洛, P·M·帕薩南, R·K·勒蒂涅米, S·哈奎 申請人:諾基亞公司