一种纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜及制备方法
【专利说明】
(一)
技术领域
[0001]本发明涉及一种纳米金刚石-石墨稀纳米带复合薄膜及制备方法。
(二)
【背景技术】
[0002]金刚石具有禁带宽和载流子迀移率高等优异的物理性能，相比硅等电子材料，它可在高温、高辐射及恶劣化学环境中使用。但目前金刚石并未在微电子工业中获得应用，关键原因是很难制备低电阻率高迀移率的η型金刚石薄膜，从而难于制作ρη结等原型器件。成功制备高电导率的η型金刚石薄膜，实现金刚石在微电子工业中的应用，可能引发电子工业的革命，具有极其重要的理论和应用价值。
[0003]近年来，随着金刚石薄膜制备技术的发展，纳米金刚石薄膜已经制备成功。纳米金刚石薄膜具有优异的物理性能，如硬度高，摩擦系数小，场发射阈值低等。纳米金刚石薄膜的电导率(?10_6(Qcm)-1)比微晶金刚石薄膜高3?7个数量级，但其仍然由于电导率过低而很难应用于电子工业中。因此，制备高电导率高迀移率的η型纳米金刚石薄膜，对实现其在半导体器件、场致发射显示器、电化学等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。
[0004]石墨烯是由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的典型二维材料。它的电导率和迀移率都非常高，是性能优良的导体材料；而石墨烯纳米带或片具有半导体特性，如果将石墨烯纳米带与纳米金刚石晶粒复合，制备获得纳米金刚石-石墨稀纳米带复合薄膜，将可能很好地利用这两种材料的优势，提高纳米金刚石薄膜的电学性能，有利于实现金刚石和石墨烯纳米带在半导体领域的应用。纳米金刚石薄膜由纳米金刚石晶粒和非晶碳晶界组成，其中的晶界在不同温度的氧化处理下，可望获得石墨稀纳米带，制备得到纳米金刚石-石墨稀纳米带复合薄膜。
[0005]本专利对氧离子注入纳米金刚石薄膜进行一定温度下的有限氧化退火处理，在非晶碳晶界中获得了石墨烯纳米带，制备获得纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜，对于实现纳米金刚石和石墨烯纳米带在电子工业中的应用具有十分重要的意义。该方面的研宄结果未见报道。
(三)
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜及制备方法。
[0007]本发明采用的技术方案是:
[0008]一种纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤:
[0009](I)采用热丝化学气相沉积方法，在单晶硅衬底上制备纳米金刚石薄膜；(2)采用离子注入方法，在步骤(I)得到的纳米金刚石薄膜中注入氧离子，得到离子注入后的薄膜；所述氧离子的注入剂量为111?10 13CnT2、注入能量为90?10keV ; (3)将步骤(2)得到的离子注入后的薄膜进行有限热氧化退火，所述有限热氧化退火是在4000Pa的压力下、800?1000°C的温度下退火30分钟，即得所述纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜。
[0010]所述步骤(I)中，纳米金刚石薄膜采用热丝化学气相沉积(HFCVD)法在单晶硅衬底上制备，可采用常规热丝化学气相沉积设备进行，要求制备获得的纳米金刚石薄膜厚度为3?4 μ??ο
[0011]进一步，所述步骤(I)可采用以下步骤进行:对单晶硅衬底采用金刚石研磨膏打磨半小时，打磨后的单晶硅片依次用去离子水和丙酮超声波清洗、干燥后作为纳米金刚石薄膜生长的衬底，将单晶硅衬底放入热丝化学气相沉积设备，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，反应温度为600?700°C、反应时间5?6小时，制备得到厚度为3?4 μπι的纳米金刚石薄膜。
[0012]所述步骤(2)中，所述氧离子的注入剂量优选为1012cm_2。注入能量优选为90keV。
[0013]所述步骤(3)中，所述退火在4000Pa气压下进行，具体的，是将空气气氛抽真空到4000Pao
[0014]所述步骤(3)中，退火温度优选800?900 °C。
[0015]本发明还提供一种采用上述方法制备得到的纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜，由纳米金刚石薄膜中注入氧离子并在低真空的有限氧化退火后得到；更具体的，纳米金刚石薄膜中注入氧离子后，在800?1000°C温度、低压环境下有限热氧化退火后，所得纳米金刚石晶粒尺寸为3?6nm，晶界中产生石墨稀纳米带，并且石墨稀的长度为3_5纳米，为石墨稀纳米带，得到纳米金刚石-石墨稀纳米带复合薄膜。
[0016]本发明的有益效果主要体现在:(I)方法简单、易于操作；(2)采用离子注入方法将低剂量的氧离子同时掺入到纳米金刚石晶粒和晶界中，并通过有限热氧化的低真空退火，使得晶界中的反式聚乙炔转变为石墨烯纳米带，制备得到纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜。该薄膜对实现金刚石和石墨烯纳米带在半导体器件、场致发射显示器、电化学等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。
(四)
【附图说明】
[0017]图1实施例1制备的纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜的场发射扫描电镜(FESEM)照片。
[0018]图2氧离子注入剂量为1012cm_2，在900°C低真空退火后的纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜的Raman光谱图。
[0019]图3氧离子注入剂量为1012cm_2，在900°C低真空退火后的纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜的高分辨透射电镜(HRTEM)照片和快速傅立叶变换图，左边大图为高分辨透射电镜照片，右侧“0”、“1”、“2”三图为快速傅立叶变换图，分别对应左边大图的全部选区、I号选区和2号选区。
[0020]图4为图3中左边大图的2号选区对应衍射环的反傅里叶转换图。
[0021]图5氧离子注入剂量为1012cm_2，在900°C低真空退火后的纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜的X射线光电子能谱图。
[0022]图6氧离子注入剂量为1012cm_2，在800°C低真空退火后的纳米金刚石-石墨烯纳米带复合薄膜的X射线光电子能谱图。
(五)【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此:
[0024]实施例1:
[0025]用纳米级金刚石粉打磨单晶硅片，打磨时间约半小时。打磨过的硅片依次用去离子水和丙酮超声清洗、干燥后，作为纳米金刚石薄膜生长的衬底。采用热丝化学气相沉积方法(化学气相沉积设备购自上海交友钻石涂层有限公司，型号为JUHFCVD001)，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，反应室温度控制在600?700°C，制备时间为5?6