一种调控石墨烯带隙方法
【专利摘要】本发明提供了一种调控石墨烯带隙方法，属于光电子技术领域，根据本发明提供的调控石墨烯带隙方法制备的石墨烯条带器件，能够在较宽的宽度下能有效的打开石墨烯的带隙；通过在石墨烯条带上制备单排孔阵列结构，且制备的石墨烯条带结构为多条石墨烯纳米带的并联结构，从而增大了石墨烯条带器件的承载的驱动电流能力；进而使得其既可以有效的打开石墨烯带隙，同时又可以增大石墨烯器件的驱动电流承载能力，且在特征尺寸较大时，也可以实现石墨烯带隙的有效调控。
【专利说明】
一种调控石墨燦带隙方法
技术领域
[0001]本发明涉及光电子技术领域，特别是涉及一种调控石墨烯带隙方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯由于其优异的性能，如超高的载流子迀移率，单原子层的厚度和高的机械强度，在未来半导体领域有着很好的潜在应用价值，引起了人们的广泛关注。但是由于石墨烯本身没有带隙，所以要实现在半导体领域应用首先要解决打开带隙的问题。目前常用的方法是把石墨烯裁成纳米带或制备反点阵结构，从而实现石墨烯带隙的打开。将石墨烯裁成纳米带可以打开石墨烯的带隙，而且宽度越窄打开的带隙越大，但随之而来会有宽度越窄，承载的驱动电流越小的问题，大大限制了石墨烯的实际应用。另外一种有效调控石墨烯带隙的方法是在石墨烯上刻蚀反点阵阵列的方法。由于石墨烯反点阵是由多个石墨烯纳米带并联而成的，其承载电流要远远大于单个石墨烯纳米带。
[0003]但是这两种方法还有一个问题，即若要实现室温可用，其特征宽度要在1nm以下，这在技术上实现难度比较大。如何提供一种制备简单的方法解决在较宽的宽度下能有效的打开石墨烯的带隙，同时克服石墨烯纳米带承载驱动电流比较小的问题，对于石墨烯在半导体领域的应用意义重大。
【发明内容】
[0004]本发明的一个目的是提供一种调控石墨烯带隙方法，能够有效的打开石墨烯带隙，同时又可以增大石墨烯器件的驱动电流承载能力，且在特征尺寸较大时，也可以实现石墨烯带隙的有效调控。
[0005]特别地，本发明提供一种调控石墨烯带隙方法，包括以下步骤:
[0006]S1、在具有定标标记的衬底上制备石墨稀样品；
[0007]S2、在所述石墨烯样品上旋涂预定厚度的电子束抗蚀剂；
[0008]S3、采用电子束曝光技术，利用所述定标标记，套刻电极，经曝光、显影、定影，在所述旋涂的电子束抗蚀剂上得到搭在石墨烯上的电极图形；
[0009]S4、在所述S3得到的样品表面蒸镀金属，经过溶脱，得到具有电极的石墨烯样品；
[0010]S5、在所述具有电极的石墨烯样品表面再涂覆一层电子束抗蚀剂，利用电子束曝光，经过曝光、显影、定影，在电子束抗蚀剂上得到石墨烯单排孔的图案，并将多余部分曝光，形成石墨稀条带；
[0011]S6、利用电子束抗蚀剂做为刻蚀掩模，采用氧等离子体刻蚀，刻蚀未被覆盖的石墨烯，得到具有单排孔阵列图形的石墨烯条带；
[0012]S7、将刻蚀后的样品放入丙酮溶液，去除剩余的电子束抗蚀剂；
[0013]S8、在所述衬底上引出背栅，在不同温度下测量石墨烯的转移曲线，计算得到带隙。
[0014]进一步地，SI中所述石墨烯是直接生长在衬底上，或者是转移到衬底上的。
[0015]进一步地，所述电子束抗蚀剂为PMMA或者ZEP520。
[0016]进一步地，S2中所述电子束抗蚀剂的旋涂厚度大于S4中所述电极厚度的两倍。
[0017]进一步地，S4中所述样品表面蒸镀金属包括蒸镀电极过渡层和电极;所述电极的厚度30-100nm;可选地，所述电极过渡层为Cr、N1、Ti中的一种，所述电极为Au或者Pd。
[0018]进一步地，S5中所述电子束抗蚀剂厚度为50-300nm。
[0019]进一步地，S5中所述石墨稀条带的宽度为0.05-1.5um，所述石墨稀单排孔的孔之间的距离为10-80nm。
[°02°] 进一步地，S6中氧等离子体刻蚀采用的腔内压为10?10mTorr，氧气流量为10?10sccm，所加射频功率为10?200W。
[0021]进一步地，S7中还可以加热辅助或超声辅助去除剩余的电子束抗蚀剂。
[0022]进一步地，S8中测量带隙采用的方法是在不同的温度下测量转移曲线，利用狄拉克点的电阻和温度倒数的关系，推算得到带隙。
[0023]本发明提供的一种调控石墨烯带隙方法，通过在石墨烯条带上制备单排孔阵列结构，既可以有效的打开石墨烯带隙，同时又可以增大石墨烯器件的驱动电流承载能力，且在特征尺寸较大时，也可以实现石墨烯带隙的有效调控。
[0024]本发明提供的一种调控石墨烯带隙方法，至少存在以下技术效果:
[0025]I)可以有效打开石墨烯的带隙，且打开的带隙比具有相同特征宽度的纳米带或反点阵阵列结构的石墨烯样品大。
[0026]2)该结构为多条石墨烯纳米带并联结构，承载的驱动电流大，且特征尺寸较大，降低了制备的难度。
【附图说明】
[0027]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:
[0028]图1是根据本发明一个实施例的一种调控石墨烯带隙方法的流程示意图；
[0029]图2是根据本发明一个实施例制备的具有单排石墨孔的石墨烯条带结构的扫描电子显微镜图；
[0030]图3是根据本发明一个实施例制备的石墨烯条带器件在不同温度下的转移曲线；
[0031]图4是根据图3的石墨烯条带器件的狄拉克点电阻与温度倒数的关系图；
[0032]图5是根据本发明一个实施例制备的石墨烯条带器件在不同温度下的转移曲线；
[0033]图6是根据图5的石墨烯条带器件的狄拉克点电阻与温度倒数的关系图。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行详细的说明。
[0035]实施例1
[0036]图1是根据本发明一个实施例的一种调控石墨烯带隙方法的流程示意图。如图1所示，一种调控石墨烯带隙方法，包括以下步骤:
[0037]S1、在具有定标标记的衬底上制备石墨烯样品；
[0038]S2、在所述石墨烯样品上旋涂预定厚度的电子束抗蚀剂；
[0039]S3、采用电子束曝光技术，利用所述定标标记，套刻电极，经曝光、显影、定影，在所述旋涂的电子束抗蚀剂上得到搭在石墨烯上的电极图形；
[0040]S4、在所述S3得到的样品表面蒸镀金属，经过溶脱，得到具有电极的石墨烯样品；
[0041]S5、在所述具有电极的石墨烯样品表面再涂覆一层电子束抗蚀剂，利用电子束曝光，经过曝光、显影、定影，在电子束抗蚀剂上得到石墨烯单排孔的图案，并将多余部分曝光，形成石墨稀条带；
[0042]S6、利用电子束抗蚀剂做为刻蚀掩模，采用氧等离子体刻蚀，刻蚀未被覆盖的石墨烯，得到具有单排孔阵列图形的石墨烯条带；
[0043]S7、将刻蚀后的样品放入丙酮溶液，去除剩余的电子束抗蚀剂；
[0044]S8、在所述衬底上引出背栅，在不同温度下测量石墨烯的转移曲线，计算得到带隙。
[0045]具体地，在步骤SI中所述定标标记用于标示所述石墨烯条带的宽度或者孔的间距，所述石墨烯是直接生长在衬底上，或者是转移到衬底上的。所述石墨烯生长或者转移的方法为本领域技术人员所熟知所常用的方法，在此不作赘述。在步骤S2中所述电子束抗蚀剂为PMMA、ZEP520或者其他的电子束正性抗蚀剂或者电子束负性抗蚀剂，其中，所述电子束抗蚀剂的旋涂厚度大于步骤S4中所述电极厚度的两倍，以保证在步骤S4中蒸镀电极层后可以顺利溶脱。在步骤S4中所述样品表面蒸镀金属包括蒸镀电极过渡层和电极;所述电极的厚度30-100nm;可选地，所述电极过渡层可以为Cr、N1、Ti中的一种，所述电极可以为Au或者Pd。在步骤S5中所述电子束抗蚀剂厚度为50-300nm，所述石墨烯条带的宽度为0.05-1.5um，所述石墨烯单排孔的孔之间的距离为10-80nm。在步骤S6中氧等离子体刻蚀采用的腔内压为10?lOOmTorr，氧气流量为10?lOOsccm，所加射频功率为10?200W。在步骤S7中还可以加热辅助或超声辅助去除剩余的电子束抗蚀剂，以便更快的去除剩余的电子束抗蚀剂。在步骤S8中测量带隙采用的方法是在不同的温度下测量转移曲线，利用狄拉克点的电阻和温度倒数的关系，推算得到带隙。在步骤S8中，测量仪器可以用综合物性测量系统(英文全称:Physical Property Measurement System，简称为PPMS)，稀释制冷机等。
[0046]图2是根据本发明一个实施例制备的具有单排石墨孔的石墨烯条带结构的扫描电子显微镜图。如图2所示，石墨烯条带结构中具有单排的石墨孔，石墨烯单排孔的孔之间的距离在10-80]11]1之间，石墨稀条带的宽度在0.05-1.5111]1之间。
[0047]在一个具体的实施例中，制备的具有单排石墨孔的石墨烯条带结构的详细步骤如下
[0048]步骤1:在洗干净且具有定标标记的基底上机械剥离石墨烯，并在光学显微镜下找到单层石墨烯样品。
[0049]步骤2:在上述石墨烯样品上涂覆PMMA，厚度为200nm。
[0050]步骤3:采用电子束曝光技术，利用之前形成的定标标记，套刻电极，经曝光、显影、定影，在电子束抗蚀剂上得到正好搭在石墨烯上的电极图形
[0051 ] 步骤4:蒸镀Ni/Au，厚度为7nm/85nm，溶脱后得到具有电极的石墨稀样品。
[0052] 步骤5:再次旋涂PMMA电子束抗蚀剂，厚度50nm。
[0053]步骤6:利用电子束曝光，套刻单排孔，孔间距50nm，并将多余的石墨烯部分曝光，得到石墨烯条带，宽度为500nm，显影定影后，得到电子束抗蚀剂上的相应的图形。
[0054]步骤:7:利用反应离子刻蚀设备，采用氧等离子体对石墨烯进行刻蚀。刻蚀条件:腔内压强为30mTorr，氧气流量为30sccm，所加射频功率为50W。
[0055]步骤8:在60摄氏度热丙酮中加热lOmin，去掉剩余的PMMA抗蚀剂。
[0056]步骤9:在背面Si衬底上引出背栅，在不同温度下测量石墨烯场效应管的转移曲线，根据狄拉克点的电阻与温度倒数的关系，计算得到带隙。
[0057]图3是根据本发明一个实施例制备的石墨烯条带器件在不同温度下的转移曲线。图4是根据图3的石墨烯条带器件的狄拉克点电阻与温度倒数的关系图；其不同温度下的转移曲线如图3所示。其狄拉克点电阻与温度倒数的关系如图4所示，计算得到的带隙为24.77meV，与文献上20nm的特征宽度的反点阵石墨稀器件得到的带隙(28meV)相当。其制备的石墨烯条带结构为多条石墨烯纳米带的并联结构，从而增大了石墨烯条带器件的承载的驱动电流能力。
[0058]本发明提供的一种调控石墨烯带隙方法，通过在石墨烯条带上制备单排孔阵列结构，既可以有效的打开石墨烯带隙，同时又可以增大石墨烯器件的驱动电流承载能力，且在特征尺寸较大时，也可以实现石墨烯带隙的有效调控。
[0059]本发明提供的一种调控石墨烯带隙方法，至少存在以下技术效果:
[0060]I)可以有效打开石墨烯的带隙，且打开的带隙比具有相同特征宽度的纳米带或反点阵阵列结构的石墨烯样品大。
[0061]2)该结构为多条石墨烯纳米带并联结构，承载的驱动电流大，且特征尺寸较大，降低了制备的难度。
[0062]实施例2
[0063]在另一个具体的实施方式中，其与实施例1相同的地方在此不做赘述，仅以不同的地方加以说明。制备的具有单排石墨孔的石墨烯条带结构的详细步骤如下:
[0064]步骤1:在洗干净且具有定标标记的基底上机械剥离石墨烯，并在光学显微镜下找到单层石墨烯样品。
[0065]步骤2:在上述石墨烯样品上涂覆ZEP520，厚度为200nm。
[0066]步骤3:采用电子束曝光技术，利用之前形成的定标标记，套刻电极，经曝光、显影、定影，在电子束抗蚀剂上得到正好搭在石墨烯上的电极图形
[0067 ]步骤4:蒸镀Ti/Au，厚度为7 nm/85nm，溶脱后得到具有电极的石墨稀样品。
[0068]步骤5:再次旋涂ZEP520，厚度lOOnm。
[0069]步骤6:利用电子束曝光，套刻单排孔阵列，孔间距80nm，并将多余的石墨烯部分曝光，得到石墨烯带，宽度Ιμπι，显影、定影后，得到电子束抗蚀剂上的相应的图形。
[0070]步骤7:利用反应离子刻蚀设备，采用氧等离子体对石墨烯进行刻蚀。刻蚀条件:腔内压强为1001111'0!'!'，氧气流量为508(3011，所加射频功率为1001
[0071]步骤8:在60摄氏度热丙酮中加热lOmin，同时采用超声辅助去除剩余的ΖΕΡ520抗蚀剂。
[0072]步骤9:在背面Si衬底上引出背栅，在不同温度下测量石墨烯场效应管的转移曲线，根据狄拉克点的电阻与温度倒数的关系，计算得到带隙。
[0073]图5是根据本发明一个实施例制备的石墨烯条带器件在不同温度下的转移曲线。图6是根据图5的石墨烯条带器件的狄拉克点电阻与温度倒数的关系图。其不同温度下的转移曲线如图5所示。其狄拉克点电阻与温度倒数的关系如图6所示，计算得到的带隙为17.65meV0
[0074]实施例3
[0075]在另一个具体的实施方式中，其与实施例1相同的地方在此不做赘述，仅以不同的地方加以说明。制备的具有单排石墨孔的石墨烯条带结构的详细步骤如下:
[0076]步骤1:在具有定标标记的衬底上转移或直接生长石墨烯，获得石墨烯样品。
[0077]步骤2:在上述石墨烯样品上涂覆电子束抗蚀剂，抗蚀剂的厚度大于目标电极厚度的两倍。
[0078]步骤3:采用电子束曝光技术，利用之前形成的定标标记，套刻电极，经曝光、显影、定影，在电子束抗蚀剂上得到正好搭在石墨烯上的电极图形。
[0079]步骤4:蒸镀金属，过渡层可以采用Cr、N1、Ti其中的一种，电极可以用Au或者Pd。电极厚度可以为30-100nm之间，溶脱后得到具有电极的石墨烯样品。
[0080]步骤5:在上述样品表面再涂覆一层电子束抗蚀剂，厚度50nm-300nm之间。
[0081]步骤6:利用电子束曝光，经过曝光、显影、定影，在电子束抗蚀剂上得到石墨烯单排孔的图案，并将多余部分曝光，形成石墨烯条带。孔间距可在1-SOnm之间，石墨烯条带的宽度可在0.05-1.5μπι之间。
[0082]步骤7:利用反应离子束刻蚀，采用氧等离子体，对石墨烯进行刻蚀。刻蚀条件:腔内压强可以为10?10mTorr之间任选，氧气流量可以为10?10sccm之间任选，所加射频功率可以为50?200W之间任选。
[0083]步骤8:样品放在丙酮溶液中，去除残留的电子束抗蚀剂，得到的石墨烯器件的扫描电子显微镜图如图2所示。
[0084]步骤9:在背面Si衬底上引出背栅，在不同温度下测量石墨烯场效应管的转移曲线，根据狄拉克点的电阻与温度倒数的关系，计算得到带隙。
[0085]本发明提供的一种调控石墨烯带隙方法，通过在石墨烯条带上制备单排孔阵列结构，能够在较宽的宽度下能有效的打开石墨烯的带隙，制备的石墨烯条带结构为多条石墨烯纳米带的并联结构，从而增大了石墨烯条带器件的承载的驱动电流能力;从而使得其既可以有效的打开石墨烯带隙，同时又可以增大石墨烯器件的驱动电流承载能力，且在特征尺寸较大时，也可以实现石墨烯带隙的有效调控。
[0086]本发明提供的一种调控石墨烯带隙方法，至少存在以下技术效果:
[0087]I)可以有效打开石墨烯的带隙，且打开的带隙比具有相同特征宽度的纳米带或反点阵阵列结构的石墨烯样品大。
[0088]2)该结构为多条石墨烯纳米带并联结构，承载的驱动电流大，且特征尺寸较大，降低了制备的难度。
[0089]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】
1.一种调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、在具有定标标记的衬底上制备石墨稀样品； 52、在所述石墨烯样品上旋涂预定厚度的电子束抗蚀剂； 53、采用电子束曝光技术，利用所述定标标记，套刻电极，经曝光、显影、定影，在所述旋涂的电子束抗蚀剂上得到搭在石墨烯上的电极图形； 54、在所述S3得到的样品表面蒸镀金属，经过溶脱，得到具有电极的石墨烯样品； 55、在所述具有电极的石墨烯样品表面再涂覆一层电子束抗蚀剂，利用电子束曝光，经过曝光、显影、定影，在电子束抗蚀剂上得到石墨烯单排孔的图案，并将多余部分曝光，形成石墨稀条带； 56、利用电子束抗蚀剂做为刻蚀掩模，采用氧等离子体刻蚀，刻蚀未被覆盖的石墨烯，得到具有单排孔阵列图形的石墨烯条带； 57、将刻蚀后的样品放入丙酮溶液，去除剩余的电子束抗蚀剂； 58、在所述衬底上引出背栅，在不同温度下测量石墨烯的转移曲线，计算得到带隙。2.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，SI中所述石墨烯是直接生长在衬底上，或者是转移到衬底上的。3.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，所述电子束抗蚀剂为PMMA 或者 ZEP520。4.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，S2中所述电子束抗蚀剂的旋涂厚度大于S4中所述电极厚度的两倍。5.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，S4中所述样品表面蒸镀金属包括蒸镀电极过渡层和电极;所述电极的厚度30-100nm;可选地，所述电极过渡层为Cr、N1、Ti中的一种，所述电极为Au或者Pd。6.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，S5中所述电子束抗蚀剂厚度为50_300nmo7.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，S5中所述石墨烯条带的宽度为0.05-1.5um，所述石墨稀单排孔的孔之间的距离为10-80nmo8.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，S6中氧等离子体刻蚀采用的腔内压为10?lOOmTorr，氧气流量为10?lOOsccm，所加射频功率为10?200W。9.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，S7中还可以加热辅助或超声辅助去除剩余的电子束抗蚀剂。10.根据权利要求1所述的调控石墨烯带隙的方法，其特征在于，S8中测量带隙采用的方法是在不同的温度下测量转移曲线，利用狄拉克点的电阻和温度倒数的关系，推算得到带隙。
【文档编号】C01B31/04GK106044759SQ201610453718
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】顾长志, 张慧珍, 杨海方, 唐成春, 李俊杰
【申请人】中国科学院物理研究所