48] 3)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，以使石墨 烯/六方氮化硼的初步堆叠结构预匹配，如图5至图6所示。石墨烯块在针尖的推动下旋 转时，在摩擦力显著变大时，石墨烯会最终停在最接近与氮化硼匹配的晶向。
[0049] 4)将步骤3)中预匹配后的堆叠结构进行高温退火处理，以KTC /分钟升温至 700°C，保温30分钟，然后以KTC/分钟降低至室温。高温退火处理后的显微镜图片见图7 所示。
[0050] 实施例2
[0051 ] 1)取厚度为20nm的六方氮化硼晶体，将其机械剥离到厚度为300nm的二氧化硅/ 硅衬底上。然后使用机械转移的方法将尺寸为5 μ m的单层石墨烯转移至六方氮化硼上，形 成如图1中所示的层叠结构。
[0052] 2)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制备出直径为 IOOnm的圆形孔洞，如图2所示。采用氢等离子体刻蚀扩大圆形孔洞缺陷，从而获得具有孤 立石墨烯小块的石墨烯/六方氮化硼的初步堆叠结构，如图3所示。反应条件为：温度为 400°C，氢气压力为0. 4torr，功率为10W，刻蚀速率为3nm/分钟。
[0053] 3)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，以使石墨 烯/六方氮化硼的初步堆叠结构预匹配，如图5至图6所示。石墨烯块在针尖的推动下旋 转时，在摩擦力显著变大时，石墨烯会最终停在最接近与氮化硼匹配的晶向。
[0054] 4)将步骤3)中预匹配后的堆叠结构进行高温退火处理，以fTC/分钟升温至 600°C，10分钟，然后以5°C /分钟降低至室温。
[0055] 实施例3
[0056] 1)取厚度为20nm的六方氮化硼晶体，将其机械剥离到厚度为300nm的二氧化硅/ 硅衬底上。然后使用机械转移的方法将尺寸为5 μ m的单层石墨烯转移至六方氮化硼上，形 成如图1中所示的层叠结构。
[0057] 2)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制备出直径为 700nm的圆形孔洞，如图2所示。采用氢等离子体刻蚀扩大圆形孔洞缺陷，从而获得具有孤 立石墨烯小块的石墨烯/六方氮化硼的初步堆叠结构，如图3所示。反应条件为：温度为 400°C，氢气压力为0. 4torr，功率为10W，刻蚀速率为3nm/分钟。
[0058] 3)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，以使石墨 烯/六方氮化硼的初步堆叠结构预匹配，如图5至图6所示。石墨烯块在针尖的推动下旋 转时，在摩擦力显著变大时，石墨烯会最终停在最接近与氮化硼匹配的晶向。
[0059] 4)将步骤3)中预匹配后的堆叠结构进行高温退火处理，以15°C /分钟升温至 800°C，保温40分钟，然后以15°C /分钟降低至室温。
[0060] 实施例4
[0061] 其操作步骤均与实施例1相同，不同之处在于高温退火时的的升温和降温机制不 同，实施例4中以20°C /分钟升温至900°C，保温5分钟，然后以20°C /分钟降低至室温。
[0062] 实施例5
[0063] 其操作步骤均与实施例1相同，不同之处在于未采用步骤3)，即未基于扫描探针 的操纵技术对初步堆叠结构中的石墨烯进行操作。
[0064] 计算实施例1至5中制备出的石墨烯/六方氮化硼的堆叠结构的匹配角度。计算 公式如下
[0065] 其中，a为石墨烯的晶格常数0.246nm，δ取1.8%，λ为摩尔条纹的波长，可以采 用原子力显微镜测量出其数值；Φ代表石墨烯与氮化硼晶向间的夹角，Φ数值越接近0°， 说明匹配程度越高。具体数值详见表1。
[0066] 表 1
[0067]
[0068] 从表1中可以看出，采用本发明的热处理方法制备出的石墨烯/六方氮化硼堆叠 结构的Φ值均较低，说明采用本发明的方法制备的堆叠结构具有较高的晶向匹配度，尤其 是实施例1至3中。
[0069] 至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示 例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接 确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认 定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
【主权项】
1. 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； 对所述初步堆叠结构进行热处理，以得到所述石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆 叠结构。2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热处理之前，采用基于扫描探 针的操纵技术对所述初步堆叠结构中的石墨烯进行操作，以使所述初步堆叠结构预匹配。3. 根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括加热操作，所述 加热操作的加热温度为600°C~800°C，保温时间为10~40分钟。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热处理为对所述 初步堆叠结构进行高温退火，所述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。5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述石墨烯/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，并在所述石墨烯层上引入缺陷； 扩大所述缺陷以得到相互分立的石墨烯块，从而得到多个所述初步堆叠结构。6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用电子束光刻技术和反应离子氧 刻蚀技术在所述石墨烯层上引入缺陷。7. 根据权利要求5至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述缺陷呈圆形孔洞， 所述圆形孔洞的尺寸为50~800nm。8. 据权利要求5至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，采用氢等离子体各向异性 刻蚀以扩大所述石墨烯层上的缺陷。9. 根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述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。10. -种高度晶向匹配的石墨烯/六方氮化硼堆叠结构，其特征在于，所述堆叠结构由 权利要求1至9中任一项所述的制备方法制备而成。
【专利摘要】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及其制备方法。该方法包括：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。基于热处理时石墨烯会在六方氮化硼晶体上发生旋转，有利于两者的晶向匹配，从而得到了具有高度完美晶向匹配的石墨烯/氮化硼堆叠结构。该方法避免了现有技术中的机械对准方式所存在不确定性，且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高度匹配。此外，该方法加工及操纵技术成熟，不仅适用于石墨烯/六方氮化硼堆叠结构，还可以延伸到制备其它类似的结构中，如石墨烯/石墨体系。
【IPC分类】C30B29/38, C30B29/02, C30B33/02
【公开号】CN105019030
【申请号】CN201410174485
【发明人】王多明, 张广宇, 时东霞
【申请人】中国科学院物理研究所
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2014年4月28日