一种石墨烯‑六方氮化硼面内异质结的制备方法与流程

本发明具体涉及一种石墨烯-六方氮化硼面内异质结的制备方法。

背景技术：

石墨烯与六方氮化硼作为两种重要的二维材料，凭借其在电学、力学、光学、热学等方面的优异性能而受到相关科技工作者的广泛研究；此外，二者的面内异质结同样因其独特性质而受到广泛关注。

目前国内外大量课题组都成功展示了石墨烯-六方氮化硼面内异质结的制备，这些制备方法均具有各自的优缺点。目前常用的制备方法有两种：1、在基底上生长完全覆盖整个基底表面的石墨烯，随后利用光刻技术去除部分已生长的石墨烯，在基底表面产生预制图案化的无石墨烯区域，并在无石墨烯区域生长六方氮化硼，最终形成完整的石墨烯-六方氮化硼面内异质结；该类方法虽然可制备出带有预制图案的异质结，便于进一步的研究与应用，但是该方法中包含重复的化学气相沉积步骤，使得制备过程较为繁琐且能耗较高。2、在基底表面生长石墨烯，通过适当控制生长条件，使得石墨烯不完全覆盖生长基底，随后直接在未被石墨烯覆盖的表面生长六方氮化硼，进而形成完整的石墨烯-六方氮化硼面内异质结；该类方法可以直接制备异质结而无需反复进行化学气相沉积步骤，但是该类方法获得的异质结形状与尺寸难以控制，限制其研究与应用。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种只用单次化学气相沉积步骤，就可以直接制备出带有预制图案的石墨烯-六方氮化硼面内异质结的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种石墨烯-六方氮化硼面内异质结的制备方法，包括以下步骤：

(1)在铜箔表面以预制图案的掩膜沉积纳米级厚度的镍层；

(2)将步骤(1)获得的铜基底置于管式炉中，通过化学气相沉积方法不间断、依次地沉积石墨烯与六方氮化硼；

(3)生长结束后，控制冷却速度，使管式炉降温至室温。

所述步骤(1)包括以下步骤：

(11)利用紫外光刻技术与磁控溅射沉积技术对铜基底进行预处理，先在铜箔表面涂覆光刻胶；

(12)覆盖预设图案的掩膜并曝光；

(13)用显影液除去部分光刻胶形成预设图案；

(14)在铜箔表面沉积镍并除去剩余的光刻胶，得到表面覆盖有预设图案镍层的铜箔。

所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)通入甲烷作为前驱体生长石墨烯，生长条件为：温度990～1030℃，通入氢气分压40～50pa，生长时间5～20min；

(22)石墨烯生长结束后，停止甲烷的通入，通入气化的氨硼烷作为前驱体继续生长六方氮化硼。

步骤(1)所述的镍层厚度为5～20nm。

步骤(3)中所述控制冷却速度，应保持初始降温速度在20℃/s以上。

发明原理：借助紫外光刻技术与磁控溅射技术，通过预先在铜基底表面沉积镍层形成预制图案，使铜表面产生图案化的合金区域，利用石墨烯在铜与铜镍合金表面生长机理的不同，使得在特定的生长条件下，石墨烯仅在铜表面生长，六方氮化硼在未覆盖石墨烯的合金表面生长。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、可以制备出带有预制图案的石墨烯-六方氮化硼异质结，有利于后续的研究或应用；2、制备流程中，只包含一次化学气相沉积步骤，在同样实现制备出带有预制图案的石墨烯-六方氮化硼异质结的基础上，简化了步骤，减少能量消耗。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2带有预制图案的镍后铜箔表面光学显微镜图；

图3为制备完成的石墨烯-六方氮化硼面内异质结转移到二氧化硅表面后的扫描电子显微镜图像；

图4为石墨烯-六方氮化硼面内异质结中石墨烯部位的拉曼光谱；

图5为石墨烯-六方氮化硼面内异质结中六方氮化硼部位的拉曼光谱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细说明。

实施例1

图1为本发明的流程图，具体实施步骤如下：

1、在铜箔表面沉积镍；

1)利用紫外光刻在铜箔表面制作光刻胶掩膜：旋涂az5214e反转胶4000rpm，30s，烘烤95℃，90s，紫外曝光9.0w/cm²,6.5s；后烘100℃，90s；泛曝光9.0w/cm²,45s；使用2.38％nmd-3显影液进行显影40s；用氮气将铜箔表面吹干。

2)利用磁控溅射在覆盖有光刻胶的铜箔表面沉积10nm镍。

3)将铜箔置于丙酮中30min除去光刻胶，并取出用氮气吹干。

2、用化学气相沉积生长石墨烯与六方氮化硼

1)将第一步处理所得的铜箔置于管式炉中，通入氢气维持管内压强45pa，并将管式炉加热至生长温度1000℃；

2)通入分压为5pa的甲烷作为前驱体，供石墨烯生长10min，在石墨烯生长期间预先加热氨硼烷粉末，石墨烯生长结束前将其加热至90℃；

3)停止通入甲烷，并通入已受热升华的气态氨硼烷作为前驱体，供六方氮化硼生长10min；

3、待生长结束后，停止加热，停止通入氨硼烷，使用普通家用落地扇辅助管式炉冷却至室温。

沉积在铜箔表面的镍薄膜所构成的图案见图1，预制图案的石墨烯-六方氮化硼面内异质结被完整地制备.

实施例2

按照实施例1的方法，但与实施例1的不同之处在于进行紫外光刻时，选用不同的掩模板，使得沉积在铜表面的镍所形成的图案与实施例1不同。

沉积在铜箔表面的镍薄膜所构成的图案见图2，最终制备所得石墨烯-六方氮化硼面内异质结的图案见图3。对比两图以及实例1中的结果可见，预制不同的图案，通过该制备过程，同样可以完整地制备出预制图案的石墨烯-六方氮化硼面内异质结。

实施例3

按照实施例1的方法，但与实施例1的不同之处在于

1、沉积的镍薄膜厚度为5nm；

2、化学气相沉积过程中，生长温度为990℃；石墨烯生长时，通入氢气50pa，通入甲烷5pa，生长时间20min；

3、化学气相沉积过程中六方氮化硼生长时，预热的氨硼烷加热至90℃，生长时间20min。

通过该制备方法，预制图案的石墨烯-六方氮化硼面内异质结同样被完整地制备，该异质结中石墨烯部分的拉曼光谱见图4，说明异质结中石墨烯部分被顺利制备，该异质结中六方氮化硼部分的拉曼光谱见图5，说明异质结中六方氮化硼被顺利制备。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种石墨烯‑六方氮化硼面内异质结的制备方法，首先在铜箔表面以预制图案的掩膜沉积纳米级厚度的镍层；其次将获得的铜箔基底置于管式炉中，通过化学气相沉积方法不间断、依次地沉积石墨烯与六方氮化硼；最后控制冷却速度，使管式炉降温至室温。本发明在化学气相沉积法生长的基础上，利用石墨烯在铜与铜镍合金表面生长机理的不同，在特定生长条件下，石墨烯仅在铜表面生长，六方氮化硼在未覆盖石墨烯的合金表面生长，从而只利用一次化学气相沉积步骤制备出带有预制图案的石墨烯‑六方氮化硼面内异质结。

技术研发人员：郭万林;张世宇;李基东
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2017.11.13
技术公布日：2018.02.27