本實用新型涉及半導體技術領域，具體涉及一種單層石墨烯薄膜基復合結構及半導體器件。

背景技術：

隨著半導體技術的發(fā)展和技術節(jié)點的不斷降低，傳統(tǒng)的硅材料已經(jīng)表現(xiàn)出諸多限制和缺陷，由于石墨烯是目前世界上最薄、強度最高、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，所以石墨烯成為理想的硅的替代品。相比于多層石墨烯，極薄的單層石墨烯薄膜表現(xiàn)出更為優(yōu)秀的導電導熱性能和更高的強度，受到越來越多的關注和研究。極薄的單層石墨烯薄膜通?？刹捎酶邷胤纸夥ê突瘜W氣相沉積法等來制備；然而，受到制備條件的限制，由于溶液法的成本較低且利于大規(guī)模生產(chǎn)，傳統(tǒng)石墨烯基復合材料多采用溶液法制備的多層石墨烯薄膜，多層石墨烯薄膜通常是采用溶液法將氧化石墨烯還原成石墨烯，業(yè)界成為還原氧化石墨烯，還原氧化石墨烯上具有較多的官能團和缺陷，還原氧化石墨烯的性能仍然不及單層石墨烯薄膜的性能，并且還原氧化石墨烯的導電率遠小于單層石墨烯薄膜的導電率，如果想提高最終器件的質量和載流子遷移性能，就需要采用單層石墨烯薄膜，因此，單層石墨烯薄膜是最具有潛力替代硅來應用于半導體技術領域中。

由于單層石墨烯薄膜是零禁帶寬度，而半導體材料是要求具有一定的禁帶寬度的，如果能夠利用單層石墨烯薄膜的上述優(yōu)點來應用于半導體技術領域中將會帶來更大的技術進步。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服以上問題，本實用新型旨在提供一種單層石墨烯薄膜基復合結構及其制備方法，從而實現(xiàn)將單層石墨烯薄膜的優(yōu)點應用于半導體技術中的目的。

為了達到上述目的，本實用新型提供了一種單層石墨烯薄膜基復合結構，包括單層石墨烯薄膜和在單層石墨烯薄膜表面的納米線垂直陣列；該納米線垂直陣列包括至少兩層納米線子陣列，至少兩層納米線子陣列的頂部高度不相同，并且同一層的納米線子陣列的納米線頂部高度相同，使得納米線垂直陣列具有高低起伏的頂部。

優(yōu)選地，所述納米線垂直陣列的底部通過共價鍵與所述單層石墨烯表面相鍵合連接。

優(yōu)選地，不同層的所述納米線子陣列之間互不穿插。

優(yōu)選地，不同層的納米線子陣列之間按照高低順序依次排列。

優(yōu)選地，每層所述納米線子陣列排布成不封閉圖形。

優(yōu)選地，每層所述納米線子陣列呈一維陣列排布。

優(yōu)選地，每層所述納米線子陣列排布成封閉圖形，不同層的納米線子陣列構成同心封閉圖形。

優(yōu)選地，按照高低順序依次排列不同層的納米線子陣列構成一個陣列單元，在一維方向上將所述陣列單元重復排列，從而構成納米線垂直陣列圖案。

優(yōu)選地，按照高低順序依次排列不同層的納米線子陣列構成一個不封閉圖形陣列單元或同心封閉圖形陣列單元，將該不封閉圖形陣列單元或同心封閉圖形陣列單元進行倍數(shù)遞增的多次放大或倍數(shù)遞減的多次縮小，從而以該不封閉圖形陣列單元或同心封閉圖形陣列單元的幾何中心得到納米線垂直陣列構成的同心不封閉圖案或同心封閉圖案。

優(yōu)選地，所述同心封閉圖案為同心圓、同心環(huán)或同心回型。

優(yōu)選地，每層納米線子陣列的材料不相同。

優(yōu)選地，其中至少一層納米線子陣列為II-VII族半導體納米線陣列。

優(yōu)選地，其中一層納米線子陣列為鈦合金納米線子陣列。

優(yōu)選地，鈦合金納米線子陣列的高度為高度最高的子陣列。

優(yōu)選地，其中一層納米線子陣列為鋅合金納米線子陣列。

優(yōu)選地，鋅合金納米線子陣列為高度最低的納米線子陣列。

優(yōu)選地，所述納米線子陣列的材料相同。

優(yōu)選地，所述納米線子陣列的材料選自II-VII族納米線陣列的一種。

為了達到上述目的，本實用新型還提供了一種超級電容器，其包括上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。

為了達到上述目的，本實用新型還提供了一種LED器件，其包括上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。

為了達到上述目的，本實用新型還提供了一種太陽能電池，其包括上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。

為了達到上述目的，本實用新型還提供了一種光催化器件，其包括上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。

為了達到上述目的，本實用新型還提供了一種傳感器，其包括上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。

本實用新型的單層石墨烯薄膜基復合結構，采用在單層石墨烯薄膜上形成有納米線垂直陣列，納米線垂直陣列包括頂部高度不同的納米線子陣列，具有如下優(yōu)勢：首先，單層石墨烯薄膜的載流子遷移率非常高，可以增加單層石墨烯薄膜基復合結構的導電率；其次，采用底部與單層石墨烯薄膜通過共價鍵連接的且具有不同高度的納米線子陣列，可以利用納米線子陣列的高度差來調節(jié)該復合結構的光學、電化學等性能，使得該復合結構當應用于發(fā)光方面時具有可調諧性，當應用于電池方面時，具有更大的電荷存儲能力和充放電速度，當應用于傳感方面時，提高傳感器靈敏度，當應用于光催化方面時，具有多重光催化效果。

附圖說明

圖1為本實用新型的一個較佳實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構的截面結構示意圖

圖2為本實用新型的一個較佳實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構的俯視結構示意圖

圖3為本實用新型的一個較佳實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構的俯視結構示意圖

圖4為本實用新型的一個較佳實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構的俯視結構示意圖

圖5為本實用新型的一個較佳實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構的俯視結構示意圖

圖6為本實用新型的一個較佳實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構的俯視結構示意圖

圖7為本實用新型的一個較佳實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構的制備方法的流程示意圖

具體實施方式

為使本實用新型的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本實用新型的內容作進一步說明。當然本實用新型并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本實用新型的保護范圍內。

以下結合附圖1-7和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。

本實施例中，請參閱圖1，圖1中每個虛線框中的陣列表示同一層納米線子陣列；本實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構中，在單層石墨烯薄膜G表面具有納米線垂直陣列；該納米線垂直陣列包括至少兩層納米線子陣列，至少兩層納米線子陣列的頂部高度不相同，這里有四層納米線子陣列1、2、3和4，這四層納米線子陣列1、2、3和4的頂部高度不相同，并且同一層納米線子陣列的納米線的頂部高度相同，例如，納米線子陣列1中的納米線的頂部高度相同，納米線子陣列2中的納米線的頂部高度相同，納米線子陣列3中的納米線的頂部高度相同，納米線子陣列4中的納米線的頂部高度相同，這些頂部高度不同的多層納米線子陣列使得納米線垂直陣列具有高低起伏的頂部。較佳的，為了使納米線垂直陣列頂部的起伏起到增加比表面積的作用，設置納米線子陣列1、2、3、4之間的高度呈等比排列，例如，納米線子陣列1、2、3、4的高度比為1:2:4:8。這里，納米線垂直陣列的底部可以通過化學鍵，例如共價鍵，與單層石墨烯薄膜G表面相鍵合連接。

本實施例中，請再次參閱圖1，不同層的納米線子陣列1、2、3、和4之間可以互不穿插，不同層的納米線子陣列1、2、3、和4之間按照高低順序依次排列。每層納米線子陣列1、2、3、和4可以排布成不封閉的圖形，例如最簡單的是呈一維陣列排布如圖2中左邊虛線框圖形所示，也可以呈圓弧形如圖3中左邊虛線框圖形所示；每層納米線子陣列1、2、3、和4還可以排布成封閉圖形，例如圓環(huán)，如圖4中左邊虛線框圖形所示，不同層的納米線子陣列1、2、3、和4共同構成同心封閉圖形，如圖4中右邊的虛線框中所示的同心圓。此外，這些納米線子陣列1、2、3、和4又可以作為一個單元以重復排列或縮放的方式構成其它圖案。

具體的，請參閱圖2，每層納米線子陣列呈一維陣列排布如圖2左邊虛線框所示，按照高低順序依次排列不同層的納米線子陣列構成一個陣列單元(可以參閱圖1的截面結構圖)，在一維方向上將該陣列單元重復排列，如圖圖2中箭頭右邊的每個虛線框中的矩陣圖形所示為一個陣列單元，從而構成納米線垂直陣列圖案。請參閱圖3，每層納米線子陣列呈不封閉弧形如圖3左邊虛線框所示的圓弧，按照高低順序依次排列不同層的納米線子陣列構成一個陣列單元(可以參閱圖1的截面結構圖)，在一維方向上將該陣列單元重復排列，如圖3中箭頭右邊的每個虛線框中的圓弧陣列所示為一個陣列單元，從而構成納米線垂直陣列圖案；請參閱圖4，每層納米線子陣列排布成封閉圖形如圖4左邊虛線框所示的圓，按照高低順序依次排列不同層的納米線子陣列構成一個同心封閉圖形作為陣列單元，如圖4中箭頭右邊的每個虛線框中的同心圓，在一維方向上將該陣列單元重復排列，從而構成納米線垂直陣列圖案。此外，請參閱圖5，每層納米線子陣列呈不封閉弧形如圖3左邊虛線框所示的圓弧，將該不封閉圖形陣列單元進行倍數(shù)遞增的多次放大或倍數(shù)遞減的多次縮小，從而以該不封閉圖形陣列單元的幾何中心得到納米線垂直陣列構成的同心不封閉圖案，如圖5中所示的每個虛線框中表示為一個陣列單元，經(jīng)放大得到扇形陣列圖形。請參閱圖6，按照高低順序依次排列不同層的納米線子陣列構成一個同心封閉圖形作為陣列單元如圖4中右邊虛線框中所示的同心圓，將該同心封閉圖形陣列單元進行倍數(shù)遞增的多次放大或倍數(shù)遞減的多次縮小，從而以該同心封閉圖形陣列單元的幾何中心得到納米線垂直陣列構成的同心封閉圖案，如圖6中所示，內部的虛線框中的圖形為同心圓陣列單元，外部虛線框和內部虛線框之間的為放大的同心圓陣列單元。本實用新型中，同心封閉圖案還可以為同心環(huán)、同心回型等，同心環(huán)包括同心的非圓環(huán)，例如橢圓環(huán)等。

本實用新型中，每層納米線子陣列的材料可以相同也可以不相同；在本實施例中，每層納米線子陣列的材料選擇不相同；其中至少一層納米線子陣列為II-VII族半導體納米線陣列，較佳的，其中一層納米線子陣列可以為鈦合金納米線子陣列；鈦合金納米線子陣列的高度為高度最高的子陣列，此時，鈦合金納米線子陣列由于高度最高，在該納米線垂直陣列中發(fā)揮主要作用，也即是該單層石墨烯薄膜基納米線垂直陣列中最高層顯示的是鈦合金納米線的特性，并且其中另一層納米線子陣列為鋅合金納米線子陣列，鋅合金納米線子陣列為高度最低的納米線子陣列，此時，鋅合金納米線子陣列由于高度最低，該單層石墨烯薄膜基納米線垂直陣列中最高層顯示的是鈦合金納米線的特性，最底層顯示的是鋅合金納米線的特性，這樣不僅兼具鈦合金納米線的特性和鋅合金納米線的特性，還使得鈦合金納米線的特性和鋅合金納米線的特性具有選擇性。此外，本實施例中的納米線子陣列的材料也可以相同，較佳的，納米線子陣列的材料選自II-VII族半導體納米線陣列的一種，可以為鈦合金納米線子陣列，或者鋅合金納米線子陣列。

這些頂部高度不同的每層納米線子陣列構成的納米線垂直陣列不僅可以使單層石墨烯表面的比表面積更大，還增加了單層石墨烯表面的化學活性，當具有這種納米線垂直陣列的單層石墨烯薄膜結構應用于電化學溶液中時，能夠為金屬離子例如鋰離子或鈉離子的穿插提供更大的比表面積，并且使得金屬離子的穿插具有階梯性和時序性，例如鋰離子先插入最高的納米線子陣列中，再從高到低依次插入較低的納米線子陣列中，從而使得單層石墨烯薄膜在電荷吸附和釋放方面相對于傳統(tǒng)的電池具有更多路徑和單位時間內具有更多的電荷吸附或釋放，也即是提高了單層石墨烯薄膜的電容存儲能力和充放電能力；當具有這種納米線垂直陣列的單層石墨烯薄膜結構應用于太陽能電池中時，例如作為電極，可以提高載流子遷移率和多重光吸收能力，減少光漫反射，從某種程度上，可以取消現(xiàn)有的太陽能電池制備工藝中的表面制絨工序，因為本實施例的單層石墨烯薄膜基復合結構上的納米線垂直陣列的高低不平的頂部就相當于絨面，盡管這種絨面是微觀上的。當具有這種納米線垂直陣列的單層石墨烯薄膜結構應用于LED中時，特別是納米線垂直陣列的材料為電致發(fā)光材料時，石墨烯薄膜可以提供快速的載流子遷移率，同時納米線垂直陣列經(jīng)電致發(fā)光后，頂部高的納米線子陣列發(fā)出的光和頂部較低的納米線子陣列發(fā)出的光之間形成干涉共振從而得到所需要的更加強烈的光線。當具有這種納米線垂直陣列的單層石墨烯薄膜結構應用于光傳感方面時，單層石墨烯薄膜提供更快的載流子遷移率，同時納米線垂直陣列的起伏頂部可以提高對探測面積，提高傳感器的靈敏度和效率。此外當應用于光催化方面時，單層石墨烯薄膜的快速載流子遷移率能夠提高探測靈敏度，具有多重光催化效果。

請參閱圖7，本實施例中還提供了一種上述的單層石墨烯薄膜基復合結構的制備方法，其包括：

步驟01：制備單層石墨烯薄膜；

具體的，可以采用SiC熱分解法、金屬基底上的化學氣相沉積法來制備高質量的真正的單層石墨烯薄膜，單層石墨烯薄膜的厚度可以為1～4nm，較佳的，為2nm。

步驟02：在單層石墨烯薄膜表面劃分出每一層納米線子陣列區(qū)域，并且在單層石墨烯薄膜上形成一層掩膜；

具體的，根據(jù)所需要制備的納米線子陣列的圖案以及所需要的最終的納米線垂直陣列的圖案來涉及每一層納米線子陣列區(qū)域的范圍；掩膜的形成可以采用一有機聚合物薄膜例如PMMA或無機薄膜作為掩膜，關于有機薄膜可以采用旋涂方式，關于無機薄膜，可以采用另一層石墨烯薄膜或碳薄膜通過吸附作用形成于步驟01的單層石墨烯薄膜上。

步驟03：刻蝕去除所需生長的一層納米線子陣列區(qū)域上的掩膜，保留其它區(qū)域的掩膜；

具體的，可以但不限于采用等離子干法刻蝕工藝來去除所需生長的一層納米線子陣列區(qū)域上的掩膜，例如，再涂覆一層光刻膠作為干法刻蝕的掩膜來保護其它無需刻蝕的區(qū)域；如果掩膜本身的材料為光刻膠，可以采用曝光和顯影的方式來去除無需刻蝕的區(qū)域，這里當然在曝光和顯影之前還制備出需曝光的那一層納米線子陣列區(qū)域的圖案。

步驟04：在暴露的單層石墨烯薄膜表面生長一層納米線子陣列；

具體的，可以采用常規(guī)的水熱法、化學沉積法、電化學鍍等來制備該層納米線子陣列，由于在這些生長環(huán)境中，單層石墨烯薄膜上的C鍵與納米線的前驅體的金屬離子發(fā)生鍵合例如形成共價鍵，從而使得前驅體在單層石墨烯薄膜表面形核，這樣相當于后續(xù)形成的納米線垂直陣列的底部通過共價鍵與單層石墨烯薄膜表面相鍵合并形核；如果納米線子陣列為鋅合金納米線子陣列或鈦合金納米線子陣列，關于鋅合金納米線子陣列、或鈦合金納米線子陣列的制備均可以采用常規(guī)的水熱法或化學氣相沉積、電化學鍍法來制備，這是本領域技術人員可以知曉的，這里不再贅述。

步驟05：重復步驟03-04，直至完成單層石墨烯薄膜表面的所有的納米線子陣列的制備；其中，先生長的一層納米線子陣列高于后生長的一層納米線子陣列。

具體的，例如，首先形成的一層納米線子陣列在后續(xù)的其它層納米線子陣列的生長過程中也會繼續(xù)生長，從而使得先形成的納米線子陣列的頂部高度高于后形成的納米線子陣列的頂部高度，以形成上述的包括至少兩層納米線子陣列的頂部高度不相同的納米線垂直陣列結構。

此外，本實施例中還提供了一種超級電容器，其包括本實施例的上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。超級電容器至少一個電極采用本實施例的上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。

本實施例中還提供了一種LED器件，其包括本實施例的上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。在本實施例的LED器件中，上述的單層石墨烯薄膜基復合結構可以作為LED的電極，也可以作為LED的PN結的一個結。

本實施例中還提供了一種太陽能電池，其包括本實施例的上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。在本實施例中，上述的單層石墨烯薄膜基復合結構可以作為太陽能電池的電極，或者作為太陽能電池的PN結的一個結。

本實施例中還提供了一種光催化器件，其包括本實施例的上述的單層石墨烯薄膜基復合結構。在本實施例中，上述的單層石墨烯基復合結構可以作為光催化器件的催化單元用于降解細菌等有機材料。

本實施例中還提供了一種傳感器，其包括本實施例的上述單層石墨烯薄膜基復合結構。在本實施例中，上述的單層石墨烯基復合結構作為傳感器的探測單元來探測光、氣體等外界環(huán)境的變化。

雖然本實用新型已以較佳實施例揭示如上，然所述實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本實用新型，本領域的技術人員在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本實用新型所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。