一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，包括如下步骤：步骤1、对碳化硅表面进行预处理，将预处理好的碳化硅放入样品盒内；步骤2、在外延生长石墨烯之前，利用氢气对步骤1中预处理好的碳化硅表面进行刻蚀；步骤3、外延生长制备石墨烯：在惰性气体存在的条件下，将步骤2中刻蚀好的碳化硅进行退火处理，得到单层石墨烯；步骤4、将步骤3得到的单层石墨烯置于真空条件下，然后通入纯度为99.5～99.9％的氧气，在金属钨丝的加热条件下，氧气分子被裂解为氧原子，将裂解的氧原子通入到单层石墨烯样品中，控制氧原子在石墨烯表面的暴露量，实现氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙。通过上述步骤，可以实现对石墨烯0～0.5eV带隙的可控调节。
【专利说明】
一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及涉及微纳电子制造，特指一种基于氧原子掺杂可控调节石墨稀带隙的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是碳原子以Sp2轨道杂化组成六角形蜂巢状晶格的平面薄膜，拥有独特的机械和电学性能。其高载流子迀移率(硅的100倍)、室温下的量子霍尔效应、弹道运输、自旋极化的运输等特性，在未来微电子领域具有巨大的应用潜力，很有可能代替硅作为下一代晶体管的理想材料。由于本征石墨烯的带隙为0，没有0/1开关特性，所以石墨烯不能直接应用在逻辑电路中。为了更好地将石墨烯这种具有优良电学性能的材料应用到半导体器件领域，需要通过一定的方法来打开石墨烯的带隙。
[0003]目前打开石墨烯带隙的方法主要有将石墨烯刻蚀成纳米带、对双层石墨烯外加电场、施加单轴向应力等方法。然而这几种方法均存在一定的不足。石墨烯刻蚀纳米带调整带隙时，其边界结构难以控制，精确地调节石墨烯带隙大小难度较大。双层石墨烯外加电场调整带隙时，由于费米能级附近的能带结构差异，载流子迀移率与单层石墨烯相比发生了明显的减少，并且施加电场增加了产业化的成本。施加单轴向应力虽然可以打开石墨烯带隙，但是需要一个很强的应力去得到带隙，处理过程较为复杂。
[0004]目前大面积生长石墨烯的方法主要有:外延生长法，化学气相沉积法和氧化还原法。虽然化学气相沉淀法和氧化还原法可以大量的制备出石墨烯，但是化学气相沉淀法在制备后期，对于石墨烯的转移过程比较复杂，而且制备成本较高，另外基底内部C生长与连接往往存在缺陷。利用氧化还原法在制备时，由于单层石墨烯非常薄，容易团聚，导致降低石墨烯的导电性能及比表面积，进一步影响其在光电设备中的应用，另外，氧化还原过程中容易引起石墨烯的晶体结构缺陷，如碳环上碳原子的丢失等。外延生长单层石墨烯可获得大面积高质量石墨烯。此外碳化硅与石墨烯的缓冲层中存在很多Si悬挂键，形成了征电子掺杂，减小了外延生长石墨烯的载流子迀移率。氧原子不仅可与石墨烯形成C-O-C化学键调控带隙，还可用来可饱和Si悬挂键，同时破坏部分S1-C化学键，分离缓冲层。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，可以对石墨稀达到O?0.5eV带隙的可控调节。
[0006]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0007]—种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，包括如下步骤:
[0008]步骤1、对碳化硅表面进行预处理，将预处理好的碳化硅放入样品盒内；
[0009]步骤2、在外延生长石墨烯之前，利用氢气对步骤I中预处理好的碳化硅表面进行刻蚀；
[0010]步骤3、外延生长制备石墨烯:在惰性气体存在的条件下，将步骤2中刻蚀好的碳化硅进行退火处理，得到单层石墨烯；
[0011]步骤4、将步骤3得到的单层石墨烯置于真空条件下，然后通入纯度为99.5?99.9%的氧气，在金属钨丝的加热条件下，氧气分子被裂解为氧原子，将裂解的氧原子通入到单层石墨烯样品中，控制氧原子在石墨烯表面的暴露量，完成石墨烯掺杂过程，实现氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙。
[0012]步骤I中，对碳化硅表面进行预处理方法为:使用丙酮，无水乙醇，去离子水依次对碳化硅表面进行超声清洗5?10分钟，超声功率为30?50W，清洗完成后通氮气将碳化硅吹干。
[0013]步骤2中，对碳化硅表面刻蚀时，选用选用射频感应加热炉，刻蚀温度为1550°C，压强为I X 15Pa，刻蚀时间为15分钟。
[0014]步骤3中，所述的惰性气体为氩气，氩气的压强为0.1MPa;所述的退火温度为1400?1600°C，退火时间为20?30分钟。
[0015]步骤4中，所通入的氧气的流量为15?30sccm，通入时间为20?30min。
[0016]步骤4中，所述的真空条件的压强为1.99 X 10—4Pa;所述的加热条件下的温度为16500C，所述的氧原子在石墨稀表面的暴露量为O?2000Langmuir。
[0017]有益效果:
[0018](I)针对吸收外来原子可控调节石墨烯带隙的优势，本文提出了一种通过吸收裂解氧原子可控调节石墨稀带隙的方法。相比单层石墨稀刻蚀纳米带，双层石墨稀施加电场等方法，通过调整裂解氧原子剂量，可以达到石墨烯带隙较精确调控。
[0019](2)本发明中使用的碳化硅单晶高温退火外延生长单层石墨烯。通过在带有热钨丝的装置中加热高纯度的氧气，获得裂解氧原子。将裂解氧原子通入碳化硅外延生长出的单层石墨烯中，打开石墨烯带隙。
[0020](3)本发明所述的方法与传统的通入气体分子高温电子退火掺杂相比，裂解氧原子与石墨烯形成的化学键更稳定，裂解氧原子更容易与石墨烯形成化学键调节带隙。
【附图说明】
[0021 ]图1为碳化硅衬底上通过外延生长法生长的单层石墨烯示意图；
[0022]图2为裂解氧原子进行石墨烯氧化的原理示意图。
[0023]图中，1-石墨烯;2-碳化硅;3-氧气分子;4-钨丝;5-氧原子
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例对本发明作进一步描述:
[0025]实施例1
[0026]1、使用丙酮，无水乙醇，去离子水依次对碳化硅2表面进行超声清洗5?10分钟，超声功率为30?50W，清洗完成后通氮气将碳化硅2吹干，放到样品盒内。
[0027]2、在外延生长石墨烯之前，用氢气来对碳化硅2进行刻蚀，以消除碳化硅2表面的杂质和缺陷。刻蚀装置选用射频感应加热炉，通过控制电源输出功率来保证碳化硅2在15500C，压强为I X 15Pa的氛围中，亥_15分钟。
[0028]3、将碳化硅2置于氩气(0.1MPa)、1400?1600°C高温环境下退火20?30分钟，得到单层的石墨烯I。如图1所示。
[0029]4、将99.5?99.9%的高纯度氧气(15?308(3011，20?30111丨11)通入压力为1.99\10—4Pa的真空装置中，通过钨丝4加热(钨丝温度为1650°C)将氧气分子3裂解成氧原子5。将裂解的氧原子5通入到石墨烯样品中，根据调控带隙需要，氧原子5在石墨烯I表面的暴露量为O?2000Langmuir，完成石墨稀I掺杂过程。如图2所示。
[0030]通过上述步骤，可以实现对石墨烯I O?0.5eV带隙的可控调节。
【主权项】
1.一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1、对碳化硅表面进行预处理，将预处理好的碳化硅放入样品盒内； 步骤2、在外延生长石墨烯之前，利用氢气对步骤I中预处理好的碳化硅表面进行刻蚀； 步骤3、外延生长制备石墨烯:在惰性气体存在的条件下，将步骤2中刻蚀好的碳化硅进行退火处理，得到单层石墨烯； 步骤4、将步骤3得到的单层石墨烯置于真空条件下，然后通入纯度为99.5?99.9%的氧气，在金属钨丝的加热条件下，氧气分子被裂解为氧原子，将裂解的氧原子通入到单层石墨烯样品中，控制氧原子在石墨烯表面的暴露量，完成石墨烯掺杂过程，实现氧原子掺杂可控调节石墨稀带隙。2.根据权利要求1所述的一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，其特征在于，步骤I中，对碳化硅表面进行预处理方法为:使用丙酮，无水乙醇，去离子水依次对碳化硅表面进行超声清洗5?10分钟，超声功率为30?50W，清洗完成后通氮气将碳化硅吹干。3.根据权利要求1所述的一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，其特征在于，步骤2中，对碳化硅表面刻蚀时，选用选用射频感应加热炉，刻蚀温度为1550°C，压强为IX 15Pa，刻蚀时间为15分钟。4.根据权利要求1所述的一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，其特征在于，步骤3中，所述的惰性气体为氩气，氩气的压强为0.1MPa;所述的退火温度为1400?1600°C，退火时间为20?30分钟。5.根据权利要求1所述的一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，其特征在于，步骤4中，所通入的氧气的流量为15?30sccm，通入时间为20?30min。6.根据权利要求1所述的一种基于氧原子掺杂可控调节石墨烯带隙的方法，其特征在于，步骤4中，所述的真空条件的压强为1.99X10—4Pa;所述的加热条件下的温度为1650°C，所述的氧原子在石墨稀表面的暴露量为O?2000Langmuir。
【文档编号】C01B31/04GK106082183SQ201610394652
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月6日 公开号201610394652.7, CN 106082183 A, CN 106082183A, CN 201610394652, CN-A-106082183, CN106082183 A, CN106082183A, CN201610394652, CN201610394652.7
【发明人】王权, 董金耀, 张伟冰, 任乃飞, 罗鹏鹏
【申请人】江苏大学