一种化学气相沉积制备硅掺杂石墨烯材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硅掺杂石墨烯材料的化学气相沉积制备方法，属于新型二维半导体材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]石墨烯具有优异的光电性能，引起了科学家的兴趣，比如它的载流子迀移率能够达到200，000cm2/V.s，能够用于制备高频率工作的电子器件，单层石墨烯的对光的吸收为2.3%，这使得它能成为光电器件研究的一种重要的材料。但是，石墨烯的禁带宽度为零，这限制了它在数字逻辑电路等方面的应用。二维半导体材料的发展可以将逻辑电路以及集成电路技术引入新的领域，构建新型集成电路将成为微电子器件的发展带来新的革新动力。除了石墨烯之外，二维二硫化钼、二维二硫化钨等材料是二维半导体材料，但这些材料难以低成本大面积制备，难以获得实际应用。在这个背景下，石墨烯的能带工程成为一个热门领域。
[0003]为了打开石墨烯的能带，科学家通常采用制备石墨烯纳米带、电掺杂、化学掺杂等办法。但是，石墨烯纳米带的制备具有很大的限制和难度，而电掺杂、化学掺杂等方式不能使得石墨烯的性质稳定存在，不随时间的消逝而变化，这对于石墨烯器件的应用是非常不利的。另外，石墨烯中掺杂原子可以打开石墨烯的能带。作为碳的同主族元素，硅在石墨烯中的掺杂不会引起载流子浓度的变化，并且理论模拟提出硅原子对石墨烯的掺杂可以打开石墨烯的能带至2eV。在石墨烯的替位掺杂过程中，石墨烯的缺陷起到了至关重要的作用。石墨烯中的C-C键是自然界中最强的化学键，想要打开这个化学键形成掺杂比较难，常规方法难以获得高掺杂量的掺杂石墨烯。目前，可控硅含量的硅掺杂石墨烯的制备方法还没有相关报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硅掺杂石墨烯材料的化学气相沉积制备方法。
[0005]实现上述发明的技术解决方案是:
[0006]硅掺杂石墨烯材料的化学气相沉积制备方法，包括如下步骤:
[0007]1)将衬底在氩等离子中处理1秒钟至60分钟，等离子功率10瓦至500瓦。
[0008]2)将处理过的衬底放入反应炉内，反应炉内保持常压或抽真空。
[0009]3)通入氢气，流量为0.1-2000sccm，以l°C/min-300°C/min的速率升温至800°C —1800°C，通入碳源气体和硅源气体，气体流量比例为1:10-10000:1，反应1-600分钟。
[0010]4)保持通入氢气，在反应温度保温10分钟至120分钟。
[0011 ] 5)以l°C/min-500°C/min的速率冷却至室温，得到娃掺杂石墨稀。
[0012]本发明的硅掺杂石墨烯材料的化学气相沉积制备方法，步骤1中的生长衬底为铜、铝、铂、金、钼、钛、铁、镍、银、铬等金属或者它们的合金。
[0013]本发明的硅掺杂石墨烯材料的化学气相沉积制备方法，步骤2中的碳源气体为甲烧、乙烧、丙烧、丁烧、乙块等气体，娃源气体为娃烧气体。
[0014]本发明通过对衬底的等离子处理来改变衬底的粗糙度，引入缺陷影响石墨烯形成过程中C-C键的形成，提高石墨烯中的缺陷密度，从而使得硅更易被掺入石墨烯中，在有硅源通入的情况下可以得到高掺杂浓度的硅掺杂石墨烯，通过硅烷流量的控制就可以控制硅的掺杂量，并且生长完成后的退火过程使得缺陷最终消失，得到高质量的硅掺杂石墨烯。
[0015]本发明制备工艺简单，硅掺杂石墨烯能够打开石墨烯的能带，从而调节石墨烯的电学和光学性质，并且能够保证掺杂的石墨烯的性质能够稳定存在，不随时间的推移而发生变化。本发明制备的硅掺杂石墨烯可以在氧还原反应、一氧化氮等还原反应中取代传统的金属催化剂，能制备气体传感器。此外，由于石墨烯的能带被打开，可以在数字电路，光电子微纳器件等方面有更加广泛的应用。
[0016]本发明的有益效果:
[0017]本发明通过对生长衬底的等离子处理改变其表面粗糙度，从而影响石墨烯中的缺陷密度并降低掺杂势皇，易于得到高掺杂浓度的硅掺杂石墨烯，本发明的方法工艺简单，适于合成连续的大面积的掺杂含量可控的硅掺杂石墨烯材料。
【附图说明】
[0018]图1是实施例1的硅掺杂的石墨烯的拉曼光谱；
[0019]图2是本征石墨烯的拉曼光谱；
[0020]图3是硅掺杂的石墨烯的X射线光电子能谱图；
[0021 ]图4是本征石墨烯的X射线光电子能谱图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合实施例进一步说明本发明。
[0023]实施例1
[0024]1)将铜片进行功率10瓦60分钟的氩等离子处理，之后放置于炉管内，铜片厚度为25μπι，纯度为99.8%，反应炉管抽真空至真空度为10—2Pa。
[0025]2)通入氢气，流量为2000sccm，以l°C/min的速率升温至900°C后，通入甲烷和硅烷，气体流量比例为10000:1，反应10!1^11。
[0026]3)以l°C/min的速率冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯材料，得到的硅掺杂的石墨烯的拉曼光谱如图1所示，图2所示为本征的石墨烯的拉曼光谱，可以看出，反应后石墨烯的拉曼光谱的D峰(峰位在1354cm—工)的强度明显变大，图3和图4分别是本例制得的硅掺杂的石墨烯与本征的石墨烯的X射线光电子能谱对比图，通过对硅的2p峰进行扫描，可以看到掺杂的石墨稀中有明显的位于101.2eV和103.3eV的峰位，证明石墨稀被娃原子掺杂。
[0027]实施例2:
[0028]1)将镍片进行功率500瓦一秒钟的氩等离子处理后放置于炉管内，镍片厚度为50μm，纯度为99.8% ,反应炉管保持常压。
[0029]2)通入氢气，流量为0.lsccm，以100°C/min的速率升温至1000°C后，通入乙烷和硅烷，气体流量比例为1: 10，反应600min。
[0030]3)以100°C/min的速率冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯材料。
[0031]实施例3:
[0032]1)将铂片进行功率80瓦10分钟的氩等离子处理后放置于炉管内，铜片厚度为25μm，纯度为99.8%，反应炉管抽真空至真空度为10—4a。
[0033]2)通入氢气，流量为200sccm，以300°C/min的速率升温至1100°C后，通入丁烷和硅烷，气体流量比例为800:1，反应40min。
[0034]3)以500°C/min的速率冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯材料。
[0035]实施例4
[0036]1)将钼片进行功率200瓦10分钟的氩等离子处理后放置于炉管内，反应炉管抽真空至真空度为10—2Pa。
[0037]2)通入氢气，流量为lOOsccm，以10°C/min的速率升温至1200°C后，通入乙炔和硅烷，气体流量比例为1000:1，反应60min。
[0038]3)以100°C/min的速率冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯材料。
[0039]实施例5
[0040]1)将铁片进行功率300瓦30分钟的氩等离子处理后放置于炉管内，反应炉管抽真空至真空度为lO—^a。
[0041 ] 2)通入氢气，流量为20sccm，以300°C/min的速率升温至1800°C后，通入丙烷和硅烷，气体流量比例为100:1，反应60min。
[0042]3)以500°C/min的速率冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯材料。
【主权项】
1.一种化学气相沉积制备硅掺杂石墨烯材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 1)将洁净的衬底用氩等离子处理1秒钟至60分钟，氩等离子的功率为10瓦至500瓦； 2)将处理过的衬底放入反应炉内，反应炉内保持常压或抽真空； 3)通入氢气，流量为0.1-2000sccm，以l°C/min-300°C/min的速率升温至800°C—1800°C，以流量比为1:10-10000:1通入碳源气体和硅源气体，反应1-600分钟； 4)以l°C/min-500°C/min的速率冷却至室温(这个能实现吗，骤冷)，得到硅掺杂石墨稀。2.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备硅掺杂石墨烯材料的方法，其特征在于，所述的步骤1)中的衬底为铜、铝、铂、金、钼、钛、铁、镍、银、铬中的一种或者多种的合金。3.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备硅掺杂石墨烯材料的方法，其特征在于，所述的步骤2)中的碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或乙炔气体，所述的硅源气体为硅烷气体。
【专利摘要】本发明公开了一种化学气相沉积制备硅掺杂石墨烯材料的方法，该方法采用氩等离子处理衬底，再在氢气氛围下通入碳源气体和硅源气体，在衬底上制得硅掺杂石墨烯材料，此方法通过影响石墨烯中的缺陷密度来降低掺杂势垒，适于合成连续的大面积的掺杂含量可控的硅掺杂石墨烯材料。相比于石墨烯材料的零禁带缺点，硅掺杂石墨烯能够打开石墨烯的能带，能够更广泛的应用于光电子微纳器件制备等技术领域。
【IPC分类】C23C16/26
【公开号】CN105463401
【申请号】CN201510872505
【发明人】林时胜, 章盛娇, 徐文丽, 李晓强
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月2日