h-BN上石墨烯纳米带的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于低维材料和新材料领域，特别是涉及一种h-BN上石墨稀纳米带的制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯由于具有优异的物理化学特性成为科学及产业界热门研宄课题，其优越的电子传输特性及可裁剪加工特性使得其有望成为新一代微纳电子器件的重要基础性材料。而当前石墨烯的性能由于受制于制备方法及手段，因而使其应用受限。目前制备石墨烯的常用方法有机械剥离法、化学气相沉积法(CVD)，SiC外延生长法及石墨氧化还原法等，CVD方法由于成本低廉，易于大规模生产，与半导体工艺兼容而成为发展最快，最具应用前景的主流制备方法。而CVD方法采用在过渡金属上催化生长石墨烯，并不能直接应用于电子器件的制备，需要将石墨烯转移到介电层上才能有效的组装器件。当前研宄的石墨烯光电器件的介电层大多采用Si02/Si。研宄人员指出由于S12表面电荷聚集引起的石墨稀局域载流子掺杂，以及S12-石墨烯界面上声子对于石墨烯载流子的散射作用，使得石墨烯电子迀移率上限降为40000cm2/Vs，远低于本征石墨烯的理论值，这大大降低了石墨烯的应用。另外石墨烯转移过程中采用的湿法化学方法，不仅使得工艺过程变得复杂，同时不可避免的带来石墨烯破损及污染，降低石墨烯的质量，从而不利于制备高性能电子器件。因而如何避免转移并克服Si02/Si基底的不足是石墨稀光电器件的关键之一。
[0003]另外石墨烯特殊的晶体结构导致了其独特的零能隙结构，其金属特性并不能直接应用于电子器件制备。目前虽然能制备得到缺陷较少，结构完整的石墨烯，但得到的石墨烯带隙几乎为零或者非常小，很难满足制备半导体功能器件的要求。然而石墨烯零带隙结构限制了它在电子学领域中的应用。理论和实验研宄表明石墨烯纳米带具有的量子禁闭效应及边缘效应使得石墨烯纳米带的带隙具有宽度依赖效应。实验结果确实地展示出，随着纳米带宽度减小，能隙会增大。因此发展调控石墨烯电子结构和禁带宽度技术具有重要意义。研宄人员分别从物理和化学角度提出了改性石墨烯的制备方法，针对石墨烯几何结构尺寸及物理结构采用刻蚀法、外加电场调节法；或者通过化学方法如边缘修饰法或者化学惨杂等方法，均能不同程度的打开石墨烯带隙。而这些调控石墨烯电子结构的方法均为先制备出完整结构石墨烯，再进行改性调控，容易受到工艺技术制约，掺杂浓度不可控等，从电子器件制作及商业化角度考虑，这些工艺繁琐，且成本较高。
[0004]综上所述，石墨烯发展面临以下挑战:石墨烯的零带隙的电子结构限制了其在纳电子器件及集成电路领域的应用；现有的石墨烯制备及转移技术由于引入了缺陷及电荷杂质，使得石墨烯材料的电学性能远远低于其本征电学性能。因此本发明提出一种在h-BN上制备石墨烯纳米带的方法，以克服当前石墨烯发展遇到的瓶颈。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种h-BN上石墨烯纳米带的制备方法，用于解决现有技术中的种种问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种h-BN上石墨烯纳米带的制备方法，采用金属催化刻蚀的方法在h-BN上获得具有纳米带状沟槽结构的h-BN沟槽模板，随后通过控制CVD生长条件实现石墨烯在纳米带状沟槽结构中的成核，生长成石墨烯纳米带。h-BN被称为白石墨烯，是石墨烯的等电子体，具有与石墨烯相同的层状六边形平面结构，具有原子级平整表面，在(0001)面上没有悬挂键，与石墨烯的晶格失配仅为1.8%，掺杂效应弱，能够最大限度的保持石墨烯的本征物理性质，是最具有潜力的一种石墨烯器件绝缘基底。而直接在h-BN上生长石墨稀纳米带，通过控制h-BN金属催化刻蚀条件及CVD反应条件，即可获得形貌及结构可控生长的石墨烯纳米带，达到实现提高其电学性能的目的。
[0007]所述h-BN上石墨稀纳米带的制备方法包括步骤:
[0008]I)采用金属催化刻蚀的方法于h-BN上形成具有纳米带状沟槽结构的h-BN沟槽模板；
[0009]2)采用化学气相沉积方法于所述h-BN沟槽模板中的生长石墨烯纳米带。
[0010]作为本发明的h-BN上石墨烯纳米带的制备方法的一种优选方案，步骤I)中，所述h-BN包括h-BN块体单晶、机械剥离解理得到的h-BN薄膜以及化学气相沉积方法获得的h-BN薄膜中的一种。
[0011]进一步地，所述h-BN为通过机械剥离方法得到的具有原子级平整度的解理面的h-BN薄膜。
[0012]作为本发明的h-BN上石墨稀纳米带的制备方法的一种优选方案，步骤I)所述的金属催化刻蚀的方法包括步骤:
[0013]1-1)于h-BN上形成一层具有催化刻蚀作用的金属粒子薄膜；
[0014]1-2)对形成有金属粒子薄膜的h-BN进行退火刻蚀，获得表面具有纳米带状沟槽结构的h-BN沟槽模板。
[0015]进一步地，步骤1-1)为通过旋涂工艺将对h-BN具有催化刻蚀作用的金属盐溶液如 Zn (NO3) 2、Cu (NO3) 2、NiCl2、FeCl2、FeCl3、CuSO4, MgCl2等溶液形成于 h-ΒΝ 表面。
[0016]进一步地，通过控制金属催化颗粒溶液的浓度来控制刻蚀所形成的纳米带状沟槽结构的密度及分布，所述金属催化颗粒的浓度为5.29*10_3mol/L?5.29*10^mol/Lo
[0017]进一步地，步骤1-2)中的退火刻蚀为于CVD管式炉中对h-BN进行退火刻蚀，载气为Ar，工作气体根据不同的刻蚀取向选择为4或O 2，其中，采用4及Ar流量比为1:1?
1:10时，易获得Armchair边界结构的纳米带状沟槽；采用O2及Ar流量比为1:1?0:10时，易获得Zigzag边缘结构的纳米带状沟槽。
[0018]作为本发明的h-BN上石墨稀纳米带的制备方法的一种优选方案，所述退火刻蚀的温度范围为900°C?1300°C，通过控制退火刻蚀温度控制h-BN的刻蚀速率。
[0019]作为本发明的h-BN上石墨稀纳米带的制备方法的一种优选方案，所述退火刻蚀的时间范围为1min?300min，通过控制退火刻蚀时间控制纳米带状沟槽的深度、宽度、及长度。
[0020]作为本发明的h-BN上石墨稀纳米带的制备方法的一种优选方案，所述纳米带状沟槽结构的深度为I?9个原子层的厚度，宽度为彡I μ m，长度为彡lOOnm。
[0021]作为本发明的h-BN上石墨烯纳米带的制备方法的一种优选方案，步骤2)所述的化学气相沉积法包括低气压化学气相沉积LPCVD、等离子增强化学气相沉积PECVD、常压化学气相沉积法CVD以及脉冲激光沉积PLD中的一种。
[0022]作为本发明的h-BN上石墨烯纳米带的制备方法的一种优选方案，步骤2)中生长石墨烯纳米带采用的碳源包括固态碳源、气态碳源及液态碳源，其中，所述固态碳源包括石墨、葡萄糖、聚甲基丙烯酸酯中的一种或组合，所述液态碳源包括液体苯，所述气态碳源包括甲烷、乙烯、乙炔中的一种或组合。
[0023]作为本发明的h-BN上石墨烯纳米带的制备方法的一种优选方案，步骤2)中生长石墨烯纳米带采用的碳源为乙炔及甲烷，其中甲烷与乙炔气体流量比为1:1?1:30。
[0024]进一步地，在生长石墨烯纳米带时，为了控制合适的生长速度，还包括引入硅烷调节碳源气体分压比的步骤，其中，甲烷、硅烷及乙炔的气体体积范围比为1: 1:10?1: 1:20。
[0025]作为本发明的h-BN上石墨烯纳米带的制备方法的一种优选方案，步骤2)中生长石墨烯纳米带的气压范围为IPa?10Pa，温度范围为800°C?1300°C，生长时间范围为Imin ?IHour0
[0026]作为本发明的h-BN上石墨烯纳米带的制备方法的一种优选方案，步骤2)所获得的石墨稀纳米带的宽度为彡I ym，深度为I?9个原子层厚度，长度为彡lOOnm。
[0027]如上所述，本发明的h-BN上石墨稀纳米带的制备方法，以金属催化刻蚀h-BN表面获得的纳米带结构沟槽为模版，通过控制CVD沉积条件，实现石墨烯沿着h-BN纳米带沟槽的边缘形核生长直至填满整个纳米带沟槽形