一種對石墨烯進行硫摻雜的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種對石墨烯進行硫摻雜的方法，包括步驟：1）提供石墨烯，將所述石墨烯置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中；2）采用惰性氣體對所述反應(yīng)腔進行通氣及排氣處理；3）于500~1050℃下通入硫源氣體對所述石墨烯進行硫摻雜；4）于氫氣及惰性氣體氣氛中對所述反應(yīng)腔進行降溫。本發(fā)明可以簡單高效的對石墨烯進行硫摻雜，經(jīng)濟成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)；可以實現(xiàn)對石墨烯進行大面積的硫摻雜；可直接對絕緣襯底或金屬襯底上的石墨烯進行摻雜，便于制作硫摻雜石墨烯器件；制備過程中，可以通過調(diào)節(jié)硫源氣體流量控制硫摻雜濃度，從而實現(xiàn)對石墨烯進行可控摻雜。
【專利說明】一種對石墨烯進行硫摻雜的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種對石墨烯進行硫摻雜的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由碳原子排列成二維正六邊形蜂窩狀點陣所形成的平面單原子層薄膜材料。由于石墨烯具有突出的導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能、高電子遷移率、半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)等一系列性質(zhì)，自2004年首次被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注并掀起了一股研究的熱潮。
[0003]石墨烯是由Sp2雜化碳原子鍵合，且具有六方點陣蜂窩狀二維結(jié)構(gòu)的單層平面石墨，具有極聞的晶體品質(zhì)和電學(xué)性能。作為一種嚴格的二維晶體材料，石墨稀具有獨特的物理性能，載流子濃度高達1013cm_2，遷移率超過20000(?^-1 s—1，為晶體管、傳感器等高性能器件的制備提供了材料基礎(chǔ)。
[0004]石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅，其遠沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了 70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。
[0005]作為一種零帶隙半導(dǎo)體，石墨烯應(yīng)用于微電子器件的一個重要前提是其帶隙與載流子濃度可調(diào)，而化學(xué)摻雜是實現(xiàn)這種調(diào)控的有效手段。理論計算表明，硫摻雜的石墨烯在氮氧化合物氣體的檢測方面有重要的應(yīng)用前景。目前，石墨烯摻雜的方法大多集中在N摻雜上，包括利用化學(xué)氣相沉積方法，高溫下甲烷和氨氣作為碳氮源制備N摻雜石墨烯；對三聚氰胺與氧化石墨烯進行高溫退火實現(xiàn)氧化石墨烯的還原和石墨烯的N摻雜等。對石墨烯進行硫摻雜的報道較少，僅有蘭州大學(xué)高輝等人報道了將單質(zhì)硫粉溶于己烷作為液態(tài)碳硫源，利用化學(xué)氣相沉積在金屬襯底上生長出S摻雜石墨烯。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]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對石墨烯進行硫摻雜的方法，以提供一種經(jīng)濟成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)的硫摻雜石墨烯的方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種對石墨烯進行硫摻雜的方法，至少包括以下步驟:
[0008]I)提供石墨烯，將所述石墨烯置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中；
[0009]2)采用惰性氣體對所述反應(yīng)腔進行通氣及排氣處理；
[0010]3)于500~1050°C下通入硫源氣體對所述石墨烯進行硫摻雜；
[0011]4)于氫氣及惰性氣體氣氛中對所述反應(yīng)腔進行降溫。
[0012]作為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法的一種優(yōu)選方案，所述石墨烯以金屬襯底為載體置于所述反應(yīng)腔中，步驟2)之后還包括步驟a)于200~400°C下對所述反應(yīng)腔通入氫氣，以對所述金屬襯底表面的氧化物進行還原。
[0013]進一步地,步驟a)所述氫氣的氣流范圍為20~lOOsccm。
[0014]作為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，惰性氣體的通氣及排氣處理時間為10~30min，氣流范圍為500~5000sccm。
[0015]作為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法的一種優(yōu)選方案，所述硫源氣體包括硫化氫及硫化羰的一種或兩種。
[0016]進一步地，步驟3)中硫摻雜采用氣體包括惰性氣體、氫氣及硫化氫。
[0017]優(yōu)選地，于400~600 °C下通入IS氣500~1500sccm,氫氣20~60sccm,硫化氫I~4sccm,對石墨烯進行摻雜10~30min。
[0018]作為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中硫摻雜采用氣體包括惰性氣體、氫氣及硫化羰。
[0019]進一步地，于700~1050°C下通入氦氣500~1500sccm，氫氣20~60sccm，硫化羰0.5~3sccm,進行硫摻雜5~20min。
[0020]作為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，氫氣的氣流范圍為10~40sccm，惰性氣體的氣流范圍為50~200sccm。
[0021]如上所述，本發(fā)明提供一種對石墨烯進行硫摻雜的方法，包括步驟:1)提供石墨烯，將所述石墨烯置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中；2)采用惰性氣體對所述反應(yīng)腔進行通氣及排氣處理；3)于500~1050°C下通入硫源氣體對所述石墨烯進行硫摻雜；4)于氫氣及惰性氣體氣氛中對所述反應(yīng)腔進行降溫。本發(fā)明具有以下有益效果:
[0022]I)本發(fā)明可以簡單高效的對石墨烯進行硫摻雜，經(jīng)濟成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)。
[0023]2)本發(fā)明制備的硫摻雜石墨烯薄膜大小取決于原始石墨烯的大小，可以實現(xiàn)對石墨稀進行大面積的硫慘雜。
[0024]3)本發(fā)明可直接對絕緣襯底上的石墨烯進行摻雜，從而制備硫摻雜石墨烯器件；也可以對金屬襯底上的石墨烯進行硫摻雜,金屬襯底可以很容易地被濕法腐蝕掉,硫摻雜石墨烯薄膜易于轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上進行后續(xù)的器件制備。
[0025]4)制備過程中，可以通過調(diào)節(jié)硫源氣體流量控制硫摻雜濃度，從而實現(xiàn)對石墨烯進行可控摻雜。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1顯示為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2顯示為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法實施例1中加熱速率曲線圖。
[0028]圖3顯示為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法實施例1中的步驟流程示意圖。
[0029]圖4顯示為本發(fā)明的對石墨烯進行硫摻雜的方法實施例2中的步驟流程示意圖。
[0030]元件標號說明
[0031]
101管式爐
102石英管
103通氣路
104石墨烯
S11-S15 實施例1各步驟
S21-S24 實施例2各步驟

【具體實施方式】
[0032]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0033]請參閱圖1~圖4。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制， 其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0034]實施例1
[0035]如圖1~圖3所示，本實施例提供一種對石墨烯進行硫摻雜的方法，至少包括以下步驟:
[0036]首先進行步驟I) S11，提供石墨烯，將所述石墨烯置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中；
[0037]然后進行步驟2) S12，采用惰性氣體對所述反應(yīng)腔進行通氣及排氣處理；
[0038]接著進行步驟3) S14，于500~1050°C下通入硫源氣體對所述石墨烯進行硫摻雜；
[0039]最后進行步驟4) S15，于氫氣及惰性氣體氣氛中對所述反應(yīng)腔進行降溫。
[0040]作為示例,所述化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括管式爐101、石英管102及通氣路103。
[0041]作為示例，所述石墨烯104以金屬襯底為載體置于所述反應(yīng)腔中，步驟2)之后還包括步驟a) S13,于200~400°C下對所述反應(yīng)腔通入氫氣，以對所述金屬襯底表面的氧化物進行還原。在本實施例中，所述金屬襯底為銅箔。所述銅箔可以在摻雜完成后很容易地通過濕法腐蝕去除，使硫摻雜石墨烯薄膜易于轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上進行后續(xù)的器件制備。
[0042]作為示例，步驟a)所述氫氣的氣流范圍為20~lOOsccm。在本實施例中，將所述反應(yīng)腔加熱至300°C時通入40sccm氫氣，以還原所述銅箔表面的氧化物。
[0043]作為示例，步驟2)中，惰性氣體的通氣及排氣處理時間為10~30min，氣流范圍為500~5000sccm。在本實施例中，向所述反應(yīng)腔中通入100sccm氬氣，排氣30min。
[0044]作為示例，步驟3)中硫摻雜采用氣體包括惰性氣體、氫氣及硫化氫。
[0045]具體地，于400~600°C下通入気氣500~1500sccm,氫氣20~60sccm,硫化氫1~4sccm,對石墨烯進行摻雜10~30min。在本實施例中，將所述反應(yīng)腔加熱至500°C后，調(diào)節(jié)氣流為IS氣100sccm,氫氣40sccm,硫化氫2sccm,對石墨烯進行摻雜15min。
[0046]作為示例，步驟4)中，氫氣的氣流范圍為10~40sccm,惰性氣體的氣流范圍為50~200SCCm。在本實施例中，待摻雜完成后，停掉硫化氫氣體，調(diào)節(jié)氬氣氣流為lOOsccm，氫氣氣流為20sCCm，然后停止加熱，讓反應(yīng)爐自然降溫至室溫，即得到所需的硫摻雜石墨烯。
[0047]作為示例，上述過程的反應(yīng)腔加熱速率曲線如圖2所示。
[0048]實施例2
[0049]如圖1及圖4所示，本實施例提供一種對石墨烯進行硫摻雜的方法，至少包括以下步驟:
[0050]首先進行步驟I) S21，提供石墨烯，將所述石墨烯置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中；
[0051]然后進行步驟2) S22，采用惰性氣體對所述反應(yīng)腔進行通氣及排氣處理；
[0052]接著進行步驟3) S23，于500~1050°C下通入硫源氣體對所述石墨烯進行硫摻雜；
[0053]最后進行步驟4) S24，于氫氣及惰性氣體氣氛中對所述反應(yīng)腔進行降溫。
[0054]作為示例,所述化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括管式爐101、石英管102及通氣路103。
[0055]作為示例，步驟I)中，所述石墨烯104以具有絕緣層的硅襯底為載體置于所述反應(yīng)腔中。直接對絕緣襯底上的石墨烯進行摻雜，摻雜完成后可以直接用于制備硫摻雜石墨火布器件。
[0056]作為示例，步驟2)中，惰性氣體的通氣及排氣處理時間為10~30min，氣流范圍為500~5000sccm。在本實施例中，向所述反應(yīng)腔中通入2000sccm氦氣，排氣20min。
[0057]作為示例，步驟3)中硫摻雜采用氣體包括惰性氣體、氫氣及硫化羰。
[0058]進一步地，于700~105CTC下通入気氣500~1500sccm,氧氣20~60sccm,硫化羰0.5~3sccm，進行硫摻雜5~20min。在本實施例中，將所述反應(yīng)腔加熱至950°C后，調(diào)節(jié)氣流為氦氣100sccm,氫氣30sccm,硫化羰Isccm,對石墨烯進行硫摻雜lOmin。
[0059]作為示例，步驟4)中，氫氣的氣流范圍為10~40sccm,惰性氣體的氣流范圍為50~200SCCm。在本實施例中，待摻雜完成后，停掉硫化羰氣體，調(diào)節(jié)氦氣氣流為lOOsccm，氫氣20sCCm，然后停止加熱，讓反應(yīng)爐自然降溫至室溫，即得到所需的硫摻雜石墨烯。
[0060]綜上所述，本發(fā)明提供一種對石墨烯進行硫摻雜的方法，包括步驟:1)提供石墨烯，將所述石墨烯置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中；2)采用惰性氣體對所述反應(yīng)腔進行通氣及排氣處理；3)于500~1050°C下通入硫源氣體對所述石墨烯進行硫摻雜；4)于氫氣及惰性氣體氣氛中對所述反應(yīng)腔進行降溫。本發(fā)明具有以下有益效果:
[0061]I)本發(fā)明可以簡單高效的對石墨烯進行硫摻雜，經(jīng)濟成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)。
[0062]2)本發(fā)明制備的硫摻雜石墨烯薄膜大小取決于原始石墨烯的大小，可以實現(xiàn)對石墨稀進行大面積的硫慘雜。
[0063]3)本發(fā)明可直接對絕緣襯底上的石墨烯進行摻雜，從而制備硫摻雜石墨烯器件；也可以對金屬襯底上的石墨烯進行硫摻雜,金屬襯底可以很容易地被濕法腐蝕掉,硫摻雜石墨烯薄膜易于轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上進行后續(xù)的器件制備。
[0064]4)制備過程中，可以通過調(diào)節(jié)硫源氣體流量控制硫摻雜濃度，從而實現(xiàn)對石墨烯進行可控摻雜。
[0065]所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0066]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于，至少包括以下步驟: 1)提供石墨烯，將所述石墨烯置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中； 2)采用惰性氣體對所述反應(yīng)腔進行通氣及排氣處理； 3)于500~1050°C下通入硫源氣體對所述石墨烯進行硫摻雜； 4)于氫氣及惰性氣體氣氛中對所述反應(yīng)腔進行降溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:所述石墨烯以金屬襯底為載體置于所述反應(yīng)腔中，步驟2)之后還包括步驟a)于200~400°C下對所述反應(yīng)腔通入氫氣，以對所述金屬襯底表面的氧化物進行還原。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:步驟a)所述氫氣的氣流范圍為20~lOOsccm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:步驟2)中，惰性氣體的通氣及排氣處理時間為10~30min，氣流范圍為500~5000sccm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:所述硫源氣體包括硫化氫及硫化羰的一種或兩種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:步驟3)中硫摻雜采用氣體包括惰性氣體、氫氣及硫化氫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:于400~600°C下通入IS氣500~1500sccm,氫氣20~60sccm,硫化氫I~4sccm,對石墨烯進行摻雜10~30mino
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:步驟3)中硫摻雜采用氣體包括惰性氣體、氫氣及硫化羰。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:于700~1050°C下通入氦氣500~1500sccm,氫氣20~60sccm,硫化羰0.5~3sccm,進行硫摻雜5~20mino
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對石墨烯進行硫摻雜的方法，其特征在于:步驟4)中，氫氣的氣流范圍為10~40sccm，惰性氣體的氣流范圍為50~200sccm。
【文檔編號】C30B31/08GK104047060SQ201310080785
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】梁晨, 李鐵, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所