石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米技术领域，特别是涉及一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配 堆叠结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 石墨烯作为二维碳材料具有许多优异性能，自从2004年由英国曼彻斯特大学的 科学家制备出来（ScienCe306, 666 (2004))以来，石墨烯的许多特性逐渐为人们所了解。石 墨烯可以悬浮起来或是通过范德瓦尔斯力附着在衬底上，石墨烯在各种衬底上的特性表现 出显著的不同，这说明衬底对这种原子级薄的材料的重要性。
[0003] 六方氮化硼具有原子级平整的表面，表面几乎没有悬挂价键而且掺杂电荷密度极 低，展现出其能够作为石墨烯的衬底的巨大潜力。人们在六方氮化硼作为衬底的石墨烯材 料中观察到高达60, OOOOcm2V 1S 1的迁移率以及量子霍尔效应。六方氮化硼与石墨烯一样也 为蜂窝状结构，晶格常数与石墨烯有1. 8%的差异，该差异导致石墨烯/六方氮化硼堆叠结 构在石墨烯的表面有莫尔条纹形成。这种莫尔条纹对石墨烯的能带具有较大的影响，其电 学性质表现出奇特超晶格狄拉克点，此外，对石墨烯等其它方面的性能如拉曼特性，界面摩 擦等都有明显的影响。同时，莫尔条纹的尺寸与石墨烯和六方氮化硼的相对晶向密切相关， 研究发现只有晶向接近匹配时才能得到具有较大尺寸的摩尔条纹，这种晶向匹配的结构是 一种很好的材料。表现为石墨烯的许多特性如电学特性中超晶格狄拉克点易于观察到，而 且此种结构表现出较大的界面摩擦和极好的热稳定性，有利于制备性能稳定的器件。虽然 具有良好匹配性的结构具有诸多优异性能，然而其制备方法却比较困难。目前人们发展出 的方法主要包括机械转移法和外延生长法。
[0004] 采用机械转移法得到的石墨烯/六方氮化硼堆叠结构通常晶向随机，很难控制转 移时的相对角度以达到晶向匹配。转移时控制相对角度的方法仅限于具有规则边界的石墨 烯和氮化硼，而对于边界不规则的石墨烯和氮化硼则不能用使用该方法，因此，机械转移法 具有较大的局限性，尤其是对于已经机械转移到氮化硼表面的石墨烯，由于污染和褶皱，转 移后的晶向则很难再改变。
[0005] 外延生长法即在氮化硼表面外延生长石墨烯，一般是利用等离子体化学气相沉 积，虽然该方法得到的石墨烯/六方氮化硼堆叠结构具有完美的晶向匹配，但在沉积和成 核的过程中容易造成不均匀，生长出的石墨烯有较多缺陷，对材料的性能不可避免的会产 生不利影响。
[0006] 因此，目前迫切需要出现一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构的制 备方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的旨在提供一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构及其 制备方法，该方法制备的堆叠结构匹配在Γ以内，精确度高，且可将任意取向的石墨烯与 六方氮化硼晶向匹配，
[0008] 根据本发明的一个方面，提供了一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结 构的制备方法，包括：形成石墨烯/六方氮化硼的初步堆叠结构；对初步堆叠结构进行热处 理，以得到石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构。
[0009] 进一步地，在热处理之前，采用基于扫描探针的操纵技术对初步堆叠结构中的石 墨烯进行操作，以使初步堆叠结构预匹配。
[0010] 进一步地，热处理包括加热操作，加热操作的加热温度为600°C~800°C，保温时 间为10~40分钟。
[0011] 进一步地，热处理为对初步堆叠结构进行高温退火，高温退火时的升温速率和降 温速率均为5~15°C /分钟；优选为KTC /分钟。
[0012] 进一步地，形成石墨烯/六方氮化硼的初步堆叠结构的步骤包括：在六方氮化硼 晶体上形成石墨烯层，并在石墨烯层上引入缺陷；扩大缺陷以得到相互分立的石墨烯块，从 而得到多个初步堆叠结构。
[0013] 进一步地，采用电子束光刻技术和反应离子氧刻蚀技术在石墨烯层上引入缺陷。
[0014] 进一步地，缺陷呈圆形孔洞，圆形孔洞的尺寸为50~800nm。
[0015] 进一步地，采用氢等离子体各向异性刻蚀以扩大石墨烯层上的缺陷。
[0016] 进一步地，氢等离子体各向异性刻蚀的条件为：温度为400°C，氢气压力为 0. 4torr，功率为10W，刻蚀速率为3nm/分钟。
[0017] 根据本发明的另一方面，提供了一种高度晶向匹配的石墨烯/六方氮化硼堆叠结 构该堆叠结构由上述任一种制备方法制备而成。
[0018] 本发明的发明人发现，在热处理时石墨烯会在六方氮化硼晶体上发生旋转，该旋 转有利于两者的晶向匹配，基于该现象发明人提出了一种制备石墨烯/六方氮化硼的高度 晶向匹配堆叠结构的方法。该方法即对初步石墨烯/六方氮化硼堆叠结构进行热处理，通 过该操作使得石墨烯与六方氮化硼晶向发生匹配，得到了具有高度完美晶向匹配的石墨烯 /氮化硼堆叠结构。
[0019] 采用本发明的方法避免了现有技术中的机械对准方式所存在不确定性等困难，并 且该制备方法与石墨烯及六方氮化硼的边界晶向无关，即使无规则边界的石墨烯和六方氮 化硼也能进行完美的高度匹配，即可以将任意取向的石墨烯与六方氮化硼晶向高度匹配。 此外，本发明的加工、操纵技术较成熟，退火方便易行，具有普适性，不仅适用于石墨烯/六 方氮化硼的堆叠结构，还可以延伸应用到制备其它类似的高度匹配的复合层结构中，如石 墨稀/石墨体系。
[0020] 根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明 了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0021] 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些 附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0022] 图1为根据本发明一种实施例的将石墨烯转移至六方氮化硼上得到的结构示意 图；
[0023] 图2为根据本发明一种实施例的米用电子束光刻和反应尚子氧刻蚀后在石墨烯 上引入人造缺陷的结构示意图；
[0024] 图3为根据本发明一种实施例中采用氢等离子体各向异性刻蚀后得到的具有分 立的石墨烯的石墨烯/六方氮化硼的初步堆叠结构示意图；
[0025] 图4为图3的原子力显微镜图；
[0026] 图5至图7根据本发明一种典型实施例的制备石墨烯/氮化硼的高度晶向匹配堆 叠结构的过程示意图；其中，图5至图6为扫描探针的操纵过程示意图，图5中的箭头显示 石墨烯进行操纵的位置和方向；图6至图7示意出了高温退火导致的旋转使石墨烯与六方 氮化硼晶向进一步匹配的过程图；以及
[0027] 图8为图7中高温退火后得到的石墨烯/六方氮化硼的高度匹配堆叠结构的原子 力显微镜图。
【具体实施方式】
[0028] 为了解决现有技术中的制备方法得到的石墨烯/六方氮化硼的堆叠结构晶向匹 配度不高，或者堆叠结构存在缺陷的问题，本发明提供了一种石墨烯/六方氮化硼的高度 晶向匹配堆叠结构的制备方法。该制备方法包括：形成石墨烯/六方氮化硼的初步堆叠结 构；对初步堆叠结构进行热处理，以得到石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构。
[0029] 在热处理时石墨烯会在六方氮化硼晶体