基于Ni膜退火和Cl₂反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法

專利名稱：基于Ni膜退火和Cl₂反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法。
背景技術：
石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時,英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈 杰姆和克斯特亞 諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶， 就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。目前的制備方法主要有兩種I.化學氣相沉積法提供了一種可控制備石墨烯的有效方法，它是將平面基底，如金屬薄膜、金屬單晶等置于高溫可分解的前驅體，如甲烷、乙烯等氣氛中，通過高溫退火使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨立的石墨烯片。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅體的流量等參數可調控石墨烯的生長，如生長速率、厚度、面積等，此方法最大的缺點在于獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強，喪失了許多單層石墨烯的性質，而且石墨烯的連續性不是很好。2.熱分解SiC法將單晶SiC加熱以通過使表面上的SiC分解而除去Si，隨后殘留的碳形成石墨烯。然而，SiC熱分解中使用的單晶SiC非常昂貴，并且生長出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，層數不均勻。現有的石墨烯的制備方法，如申請號為200810113596. O的“化學氣相沉積法制備石墨烯的方法”專利，公開的方法是首先制備催化劑，然后進行高溫化學氣相沉積，將帶有催化劑的襯底放入無氧反應器中，使襯底達到500-1200°C，再通入含碳氣源進行化學沉積而得到石墨烯，然后對石墨烯進行提純(即酸處理或低壓、高溫下蒸發)除去催化劑。該方法的主要缺點是工藝復雜，需要專門去除催化劑，能源消耗大，生產成本高。

發明內容
本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法，以提高表面光滑度和連續性、降低孔隙率。為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟(I)對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物；(2)將清洗后的SiC樣片置于石英管中，加熱至700-1100°C ；(3)向石英管中通入Ar氣和Cl2氣的混合氣體，持續時間3_8min，使Cl2與3C_SiC 反應生成碳膜；(4)在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；(5)將生成的碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，并將它們一同置于Ar氣中在溫度為1000-1200°C下退火10-30min，使碳膜重構成石墨烯，再將Ni膜從石墨烯樣片上取開。本發明與現有技術相比具有如下優點I.本發明使用的方法工藝簡單，節約能源，安全性高。2.本發明中SiC與Cl2可在較低的溫度和常壓下反應，且反應速率快。3.本發明由于利用SiC與Cl2氣反應，因而生成的石墨烯表面光滑，空隙率低，且厚度容易控制，可用于對氣體和液體的密封。4.本發明由于利用在Ni膜上退火，因而生成的碳膜更容易重構形成連續性較好的石墨烯。


圖I是本發明制備石墨烯的裝置示意圖；圖2是本發明制備石墨烯的流程圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明的制備設備主要由石英管I和電阻爐2組成，其中石英管I設有進氣口 3和出氣口 4，電阻爐為2為環狀空心結構，石英管I插裝在電阻爐2內。參照圖2，本發明的制作方法給出如下三種實施例。實施例I步驟I :清洗6H_SiC樣片，以去除表面污染物。(I. I)對6H_SiC襯底基片使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；(I. 2)將去除表面有機殘余物后的6H_SiC樣片再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10 分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟2 :將6H_SiC樣片裝入石英管，并排氣加熱。(2. I)將清洗后的6H_SiC樣片放入石英管I中，把石英管置于電阻爐2中；(2. 2)從進氣口 3向石英管中通入流速為80SCCm的Ar氣，對石英管進行排空10 分鐘，將空氣從出氣口 4排出；(2. 3)打開電阻爐電源開關，對石英管加熱至700°C。步驟3 生成碳膜向石英管通入流速分別為98sccm和2sccm的Ar氣和Cl2氣，時間為5分鐘,使Cl2 與6H-SiC反應生成碳膜。步驟4 :取Si襯底樣片放入電子束蒸發鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應室壓強抽至5 X IO-4Pa,調節束流為40mA，蒸發lOmin，在Si襯底樣片上沉積一層300nm厚的Ni膜。步驟5:重構成石墨烯。(5. I)將生成的碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上；(5.2)將碳膜樣片和Ni膜整體置于流速為lOOsccm的Ar氣中，在溫度為900°C下退火10分鐘，通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構成連續的石墨烯；(5. 3)將Ni膜從石墨烯樣片上取開。
實施例2步驟一清洗4H_SiC樣片，以去除表面污染物。對4H_SiC襯底基片先使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟二 將4H_SiC樣片裝入石英管，并排氣加熱。將清洗后的4H_SiC樣片置于石英管I中，把石英管置于電阻爐2中；從進氣口 3 向石英管中通入流速為80SCCm的Ar氣，對石英管進行排空10分鐘，將空氣從出氣口 4排出；再打開電阻爐電源開關，對石英管加熱至1000°C。步驟三生成碳膜向石英管通入流速分別為97sccm和3sccm的Ar氣和Cl2氣，時間為3分鐘,使Cl2 與4H-SiC反應生成碳膜。步驟四取Si襯底樣片放入電子束蒸發鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應室壓強抽至5 X IO-4Pa,調節束流為40mA，蒸發15min，在Si襯底樣片上沉積一層400nm厚的Ni膜。步驟五重構成石墨烯。將生成的碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上；將碳膜樣片和Ni膜整體置于流速為75sccm的Ar氣中，在溫度為1000°C下退火15分鐘，通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構成連續的石墨烯；將Ni膜從石墨烯樣片上取開。實施例3步驟A :對6H_SiC襯底基片進行表面清潔處理，即先使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品 10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘， 取出后烘干，以去除離子污染物。步驟B :將清洗后的6H_SiC樣片置于石英管I中，并把石英管置于電阻爐2中；從進氣口 3向石英管中通入流速為80SCCm的Ar氣，對石英管進行排空10分鐘，將空氣從出氣口 4排出；再打開電阻爐電源開關，對石英管加熱至1100°C。步驟C :向石英管中通入流速分別為95sccm和5sccm的Ar氣和Cl2氣，時間為8 分鐘，使Cl2與6H-SiC反應生成碳膜。步驟D :取Si襯底樣片放入電子束蒸發鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應室壓強抽至5 X 10_4Pa，調節束流為40mA，蒸發20min，在Si襯底樣片上沉積一層500nm厚的Ni膜。步驟E :將生成的碳膜樣片從石英管中取出，將其碳面置于Ni膜上；將碳膜樣片和 Ni膜整體置于流速為25sccm的Ar氣中，在溫度為1100°C下退火30分鐘，通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構成連續的石墨烯；將Ni膜從石墨烯樣片上取開。
權利要求
1.一種基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物；(2)將清洗后的SiC樣片置于石英管中，加熱至700-1100°C；(3)向石英管中通入Ar氣和Cl2氣的混合氣體，持續時間3-8min，使Cl2與3C_SiC反應生成碳膜；(4)在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；(5)將生成的碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，并將它們一同置于Ar氣中在溫度為 900-1100°C下退火10-30min，使碳膜重構成石墨烯，再將Ni膜從石墨烯樣片上取開。
2.根據權利要求I所述的基于Ni膜輔助退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法，其特征在于所述步驟(I)對SiC樣片進行清洗，是先使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡SiC樣片10分鐘，取出后烘干，以去除樣片表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
3.根據權利要求I所述的基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法， 其特征在于步驟(3)所述通入的Ar氣和Cl2氣，其流速分別為95-98sccm和5_2sccm。
4.根據權利要求I所述的基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法， 其特征在于所述步驟(4)中電子束沉積的條件為基底到靶材的距離為50cm，反應室壓強為 5 X 10 4Pa,束流為40mA,蒸發時間為10_20min。
5.根據權利要求I所述的基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法， 其特征在于所述步驟(5)退火時Ar氣的流速為25-100sccm。
6.根據權利要求I所述的基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法， 其特征在于所述SiC樣片的晶型采用4H-SiC或6H-SiC。
全文摘要
本發明公開了一種基于Ni膜退火和Cl2反應的SiC襯底上制備石墨烯的方法，主要解決現有技術中制備的石墨烯表面不光滑、連續性不好、層數不均勻的問題。其實現過程是先對SiC樣片進行標準清洗；將清洗后的SiC樣片置于石英管中，向石英管中通入Ar氣和Cl2的混合氣體，在700-1100℃下SiC與Cl2反應3-8min，生成碳膜；然后在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；再將生成的碳膜樣片的碳面置于Ni膜上，并將它們一同置于Ar氣中，在溫度為900-1100℃下退火10-30min生成石墨烯；最后將Ni膜從石墨烯樣片上取開。本發明具有工藝簡單，安全性高，生成的石墨烯表面光滑，連續性好，孔隙率低的優點，可用于對氣體和液體的密封。
文檔編號C01B31/04GK102583325SQ201210007709
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月3日 優先權日2012年1月3日
發明者張克基, 張玉明, 鄧鵬飛, 郭輝, 雷天民 申請人:西安電子科技大學