一種在石墨烯薄膜上剝離外延材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種在石墨烯薄膜上剝離外延材料的方法，包括以下步驟：步驟1、提供一表面有石墨烯薄膜的基底，所述石墨烯薄膜層數(shù)≥2，且所述石墨烯薄膜是直接生長(zhǎng)于基底上或者是經(jīng)過(guò)1次或多次轉(zhuǎn)移到基底上的；步驟2、在所述石墨烯薄膜上直接外延生長(zhǎng)材料；步驟3、剝離所述外延材料，所述剝離發(fā)生在石墨烯薄膜間或者是石墨烯薄膜與基底之間。本發(fā)明利用石墨烯薄膜完美的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在石墨烯薄膜上直接外延生長(zhǎng)材料并使外延材料剝離，為解決異質(zhì)外延及當(dāng)中剝離的難題提供了方案。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種在石墨烯薄膜上剝離外延材料的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是指在石墨烯薄膜上直接外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)并剝離 外延材料的方法。剝離后石墨烯薄膜可去除；亦可依然與外延材料是一個(gè)整體，此時(shí)石墨烯 薄膜可以作為透明電流擴(kuò)展層或熱沉等應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 嚴(yán)格意義上的石墨烯（Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈 蜂巢晶格的單原子層二維結(jié)構(gòu)，具有高透過(guò)率（97. 7% );高導(dǎo)熱系數(shù)（5300W/m ·Κ)，高電子 遷移率（200000cm2/V· s)，低電阻率只約（10-6Ω · cm)，理論上方阻可低至31Ω / □。因 為它極低的電阻率，極高的電子遷移率，所以被期待可用來(lái)發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新 一代電子元件或晶體管?，F(xiàn)已應(yīng)用于制造透明導(dǎo)電層，觸控屏幕、光板和太陽(yáng)能電池。除了 嚴(yán)格意義上的石墨烯（單層）外，雙層和少數(shù)層（一般小于10層）石墨層片在結(jié)構(gòu)和性能 上也都明顯區(qū)別于塊體石墨，在廣義上也被歸為石墨烯范疇。
[0003] 石墨烯平面內(nèi)的晶格結(jié)構(gòu)由正六邊形組成，其中碳-碳鍵長(zhǎng)約0. 142nm，就整個(gè)平 面內(nèi)的所有正六邊形而言，以六元環(huán)上相隔一個(gè)（兩個(gè)）碳原子的倆碳原子作為新"六元 環(huán)"上相鄰的碳原子，則新"六元環(huán)"上"碳-碳鍵"長(zhǎng)約為〇. 142 X 31/2 (0. 142 X 2)。綜上所 述，新"晶格常數(shù)"約為〇. 142(η彡1，m彡0)。因此在作為襯底生長(zhǎng)六方結(jié)構(gòu)晶 體時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)，不存在極性問(wèn)題，石墨烯薄膜襯底晶格常數(shù)可以成數(shù)列規(guī)律變化，更容易 與外延物質(zhì)形成晶格相匹配的生長(zhǎng)。另外石墨烯層與層之間的相互作用力為范德瓦耳斯力 或者是物理吸附，相比于化學(xué)鍵，更容易斷裂進(jìn)而剝離。
[0004] 石墨烯化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸性或堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)熱穩(wěn)定性較好，藍(lán)寶石 上直接生長(zhǎng)石墨烯溫度達(dá)到1600°c能在一定程度上說(shuō)明石墨烯較好的熱穩(wěn)定性。較好的熱 穩(wěn)定性使得石墨烯薄膜作為外延基底在高溫條件下生長(zhǎng)材料/結(jié)構(gòu)有了可靠保證。石墨烯 薄膜也能夠加強(qiáng)石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度。
[0005] 異質(zhì)外延當(dāng)中剝離一直以來(lái)都是很重要的，所以在石墨烯薄膜上直接外延生長(zhǎng)結(jié) 構(gòu)并使外延結(jié)構(gòu)剝離的方法在半導(dǎo)體技術(shù)當(dāng)中具有重要價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，提供一種在石墨烯薄膜上剝離外延材料的方法。
[0007] 具體地，本發(fā)明提供了一種在石墨烯薄膜上剝離外延材料的方法，包括以下步 驟：
[0008] 步驟1、提供一表面有石墨烯薄膜的基底，所述石墨烯薄膜層數(shù)> 2,且所述石墨 烯薄膜是直接生長(zhǎng)于基底上或者是經(jīng)過(guò)1次或多次轉(zhuǎn)移到基底上的；
[0009] 步驟2、在所述石墨烯薄膜上直接外延生長(zhǎng)材料；
[0010] 步驟3、剝離所述外延材料，所述剝離發(fā)生在石墨烯薄膜間或者是石墨烯薄膜與基 底之間。 toon] 本發(fā)明利用石墨烯薄膜完美的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在石墨烯薄膜上直接外延生 長(zhǎng)結(jié)構(gòu)并使外延結(jié)構(gòu)剝離，為解決異質(zhì)外延及當(dāng)中剝離的難題提供了方案。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明中在石墨烯薄膜上剝離外延結(jié)構(gòu)方法的制備流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0014] 請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種在石墨烯薄膜上剝離外延材料的方法，包括以 下步驟：
[0015] 步驟1，提供一表面有石墨烯薄膜的基底。所述石墨烯薄膜為直接生長(zhǎng)在基底上的 彡2層的石墨烯，或者是一次轉(zhuǎn)移到基底上的彡2層的石墨烯，亦或是多次（彡2)轉(zhuǎn)移到 基底上的> 1層的石墨烯；所述石墨烯薄膜是原位摻雜的或未摻雜的石墨烯薄膜；所述石 墨烯薄膜為經(jīng)過(guò)修飾（氮化、氟化、硫化、氯化等）處理或者未加任何修飾處理的石墨烯薄 膜。
[0016] 例如在藍(lán)寶石上直接生長(zhǎng)石墨烯薄膜：沉積400nm鎳（Ni)，1000°C時(shí)一個(gè)大氣壓 下通入氫氣（H 2)甲烷（CH4)生長(zhǎng)40min后利用氧（02)等離子體打掉Ni膜上沉積的石墨烯， 腐蝕掉Ni膜，就得到了直接生長(zhǎng)在藍(lán)寶石上的石墨烯薄膜（利用C在Ni中擴(kuò)散生長(zhǎng)在Ni 膜和藍(lán)寶石間）。原位摻雜是指在石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程中加入別的氣源，比如說(shuō)氮摻雜用的氨氣 (NH 3)。例如后期修飾處理氮化可以是高溫下生長(zhǎng)通入氨氣，氟化可以使用CF4等離子體轟 擊，其他修飾處理還可以是SF 6等等離子體轟擊及化學(xué)吸附。
[0017] 步驟2,在所述石墨烯薄膜上外延生長(zhǎng)材料，該外延材料直接在石墨烯薄膜上外延 生長(zhǎng)。所述的外延材料是直接生長(zhǎng)在石墨烯薄膜上的。直接在石墨烯上生長(zhǎng)表明石墨烯并 不是使基底圖形化，基底的作用僅僅是支撐石墨烯，而外延生長(zhǎng)的成核位置是在石墨烯上。
[0018] 步驟3,外延生長(zhǎng)完成后剝離所述外延材料。所述剝離是在外延生長(zhǎng)完成后改變 條件過(guò)程中外延材料自動(dòng)剝離或是外延生長(zhǎng)完成后通過(guò)機(jī)械剝離、化學(xué)剝離等手段實(shí)現(xiàn)剝 離；所述剝離發(fā)生在石墨烯薄膜間、石墨烯薄膜與基底之間或是以上兩種剝離同時(shí)存在。外 延材料生長(zhǎng)完成后，石墨烯薄膜和外延材料所處條件發(fā)生變化，在降溫到室溫過(guò)程中有可 能由于熱失配產(chǎn)生應(yīng)力，從而在降溫過(guò)程中自動(dòng)剝離。即使未自動(dòng)剝離，也可在降到室溫后 通過(guò)機(jī)械力、化學(xué)力等使之剝離。
[0019] 剝離后石墨烯薄膜可去除，也可保留。保留時(shí)石墨烯薄膜與結(jié)構(gòu)或器件可以是一 個(gè)整體，此時(shí)石墨烯薄膜可以作為透明電流擴(kuò)展層、熱沉等應(yīng)用。
[0020] 以上所述僅是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，利用本發(fā)明原理在石墨烯薄膜上外延生長(zhǎng) 材料并使外延材料剝離也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍，比如說(shuō)在石墨烯薄膜當(dāng)中插層一些其 他物質(zhì)從而達(dá)到剝離之目的。本發(fā)明的具體實(shí)施方案已說(shuō)明如上，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可以在不違背本發(fā)明的精神及范圍內(nèi)，根據(jù)上述說(shuō)明對(duì)實(shí)施例進(jìn)行修改。因此本發(fā)明的權(quán) 利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種在石墨烯薄膜上剝離外延材料的方法，包括以下步驟： 步驟1、提供一表面有石墨烯薄膜的基底，所述石墨烯薄膜層數(shù)> 2,且所述石墨烯薄 膜是直接生長(zhǎng)于基底上或者是經(jīng)過(guò)1次或多次轉(zhuǎn)移到基底上的； 步驟2、在所述石墨烯薄膜上直接外延生長(zhǎng)材料； 步驟3、剝離所述外延材料，所述剝離發(fā)生在石墨烯薄膜間或者是石墨烯薄膜與基底之 間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述石墨烯薄膜為直接生長(zhǎng)在基底上的> 2層的 石墨烯，或者是一次轉(zhuǎn)移到基底上的>2層的石墨烯，亦或是多次轉(zhuǎn)移到基底上的> 1層的 石墨烯。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述石墨烯薄膜是原位摻雜的或未摻雜的石墨 烯薄膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述石墨烯薄膜為經(jīng)過(guò)摻雜修飾處理或者未加 任何修飾處理的石墨烯薄膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述修飾是指對(duì)所述石墨烯薄膜進(jìn)行氮化、氟 化、硫化和氯化處理。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述剝離的方式包括自動(dòng)剝離、機(jī)械剝離和化學(xué) 剝離方式。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述自動(dòng)剝離方式是指在外延生長(zhǎng)完成后改變條 件使得外延材料自動(dòng)剝離。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述剝離發(fā)生在石墨烯薄膜的層間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述剝離發(fā)生在石墨烯薄膜與基底之間。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括：將所述石墨烯薄膜從所述外延材料去除。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述石墨烯薄膜作為電流擴(kuò)展層或熱沉保留在 所述外延材料上。
【文檔編號(hào)】C30B25/18GK104099662SQ201410332170
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】趙云, 王鋼, 魏同波, 段瑞飛, 孫連峰, 王軍喜, 李晉閩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所