石墨烯结构及其制造方法

专利名称：石墨烯结构及其制造方法
技术领域：
示例实施例涉及ー种石墨烯结构及其制造方法，更具体地，涉及具有各种结构的石墨烯结构及其制造方法。
背景技术：
石墨烯是具有由单原子层的碳形成的蜂巢结构的ニ维QD)薄膜。碳原子形成具有带有Sp2杂化轨道的2D键结构的碳六边形平面，具有平面结构的碳原子的复合体被称作
^n &炼 O可以有形成石墨烯的各种方法，包括机械剥落法、化学剥落法、SiC热处理法、化学气相沉积(CVD)法、外延合成法和有机合成法，此外已经提出了使用光刻エ艺的石墨烯的微小图案化。由于石墨烯具有不同于已有材料的非常有用的特性，所以已经开展各种研究以将石墨烯应用到电子器件。

发明内容
示例实施例提供由石墨烯形成的具有各种三维(3D)形状的石墨烯结构以及形成具有各种3D形状的石墨烯结构的方法。附加的方面将在以下的描述中部分阐述，并将部分地从该描述而显然，或者可以通过示例实施例的实践而习知。根据示例实施例，石墨烯结构可以包括模板，具有三维(3D)形状；和石墨烯，构造为覆盖模板的外周边的至少一部分。模板可以具有杆形，石墨烯可以构造为围绕模板的外周边。模板可以是纳米线和纳米棒中的至少ー种。模板可以由锗(Ge)形成或者可以包括在其表面上的Ge涂层。根据示例实施例，石墨烯结构可以包括形成为中空管的石墨烯。根据示例实施例，石墨烯结构可以包括第一支撑层；第一石墨烯，在第一支撑层上；第二支撑层，在第一石墨烯上；以及第ニ石墨烯，在第二支撑层上。第一和第二支撑层可以由Ge形成或者可以包括在其表面上的Ge涂层。第一石墨烯和第二石墨烯中的至少ー个可以被图案化。石墨烯结构还可以包括在第二石墨烯上的第三支撑层以及在第三支撑层上的第三石墨烯，以形成多层的石墨烯结构。多层石墨烯结构可以包括在其中的多个孔。根据示例实施例，石墨烯结构可以包括第一石墨烯；第二石墨烯，在垂直方向上与第一石墨烯的表面分离；以及第三石墨烯，构造为交叉第一石墨烯和第二石墨烯并支撑第一石墨烯和第二石墨烯。根据示例实施例，ー种形成石墨烯结构的方法可以包括将三维模板置于反应室中，该模板包括由第一锗(Ge)层形成的至少ー表面；以及通过供应含碳气体到反应室中而沿着第一 Ge层的外周边生长第一石墨烯。模板可以具有杆形。模板可以是第一 Ge层，并可以在形成第一石墨烯之后被去除。模板可以由非Ge材料形成，第一 Ge层可以形成在模板的至少一部分上。
第一 Ge层可以在形成第一石墨烯之后被去除。第一 Ge层可以根据图案而形成， 第一石墨烯可以沿着Ge层的图案生长。该方法还可以包括在第一石墨烯上形成第二 Ge层以及在第二 Ge层上形成第二石墨烯。在第一石墨烯上形成第二 Ge层可以包括使用非Ge材料在第一石墨烯上形成非Ge 层；以及在非Ge层上形成第二 Ge层。该方法还可以包括通过在第二石墨烯上重复堆叠另ー Ge层和另一石墨烯而形成多层石墨烯。该方法还可以包括在多层石墨烯中形成多个孔以及用功能材料填充多个孔。 该方法还可以包括根据图案来蚀刻第一石墨烯和第二石墨烯。第一石墨烯和第二石墨烯的通过蚀刻暴露的边缘可以是氢封端的或用功能团处理。该方法还可以包括在第一石墨烯和第二石墨烯的通过蚀刻暴露的侧表面上形成第三石墨烯。第一 Ge层和第二 Ge层可以在形成第三石墨烯之后被去除。第一至第三石墨烯可以是单原子层、双原子层和三原子层中的至少ー种。根据示例实施例的形成石墨烯结构的方法有助于容易地实现三维形状的石墨烯。 石墨烯结构可以用于实现三维形状的电路、电子器件、光学器件或能量器件。此外，石墨烯结构能够用于实现纳米尺寸的机械结构。


从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方法将变得明显并更易于理解，在附图中图IA是根据示例实施例的石墨烯结构的示意性透视图；图IB至图ID是示出图IA的石墨烯结构的模板的变型示例的透视图；图2A至图2D是示出根据示例实施例的形成图IA的石墨烯结构的示例方法的透视图；图3A至图3D是根据示例实施例的形成图IA的石墨烯结构的另一方法的透视图；图4是根据示例实施例的石墨烯结构的示意性截面图；图5是根据图4的石墨烯结构的修改版本的示意性截面图；图6是图4的石墨烯结构的另一修改版本的示意性截面图；图7是图4的石墨烯结构的另一修改版本的示意性截面图；图8A至图8E是示出形成图5的石墨烯结构的示例方法的截面图；图9A至图9E是示出形成图6的石墨烯结构的示例方法的截面图；图10是根据示例实施例的石墨烯结构的示意性截面图；图IlA至图IlD是示出形成图10的石墨烯结构的示例方法的截面图；图12是根据示例实施例的石墨烯结构的透视图；图13是根据示例实施例的石墨烯结构的示意性剖面透视图；图14是根据示例实施例的石墨烯结构的透视图；以及图15A至图15D是示出形成图14的石墨烯结构的示例方法的截面图。
具体实施例方式现在将详细參照实施例，实施例的示例在附图中示出。在附图中，相似的附图标记始终指代相似的元件，并且为了清晰，可以夸大层和区域的长度和尺寸。将理解，当称一元件诸如层、膜、区域或基板在另一元件“上”吋，它可以直接在另一元件上，或者还可以存在居间的元件。相反，当称一元件“直接在”另一元件上时，不存在居间的元件。将理解，虽然这里可使用术语“第一”、“第二”等描述各种元件、组件、区域、层和/ 或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅用于将ー 个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分而不背离示例实施例的教导。为便于描述此处可以使用诸如“在· · ·之下”、“在· · ·下面”、“下”、“在· · ·之上”、
“上”等空间相对性术语以描述如附图所示的一个元件或特征与另ー个(些)元件或特征之间的关系。将理解，空间相对性术语旨在概括除附图所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转过来，则被描述为“在”其他元件或特征“之下”或 “下面”的元件将会在其他元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“在...下面”就能够涵盖之上和之下两种取向。器件可以采取其他取向(旋转90度或在其他取向)，这里所用的空间相对性描述符做相应解释。这里所用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，并非要限制示例实施例。如这里所用的，除非上下文另有明确表述，否则単数形式“一”和“该”旨在也包括复数形式。 将进一歩理解的是，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用吋，指定了所述特征、 整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除ー个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其組合的存在或増加。这里參照截面图描述了示例实施例，这些图为示例实施例的理想化实施例(和中间结构)的示意图。因而，举例来说，由制造技术和/或公差引起的图示形状的变化是可能发生的。因此，示例实施例不应被解释为仅限于此处示出的区域的特定形状，而是包括由例如制造引起的形状偏差在内。例如，图示为矩形的注入区在其边缘处将通常具有圆化或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而不是从注入区到非注入区的ニ元变化。类似地，通过注入形成的埋入区可以导致在埋入区与通过其发生注入的表面之间的区域中的ー些注入。因此，附图所示的区域在本质上示意性的，它们的形状并非要示出器件的区域的真实形状，也并非要限制示例实施例的范围。除非另行定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有示例实施例所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。将进一歩理解的是，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。在本说明书中，术语“石墨烯”是指由ニ维QD)碳六边形平面形成的多环芳香族分子，也就是具有通过多个碳原子的共价键形成的蜂巢结构的2D薄膜。通过共价键彼此连接的碳原子形成六元环(six-membered ring)作为基本重复单元。然而，碳原子的结构还可以包括五元环和/或七元环。因此，石墨烯看起来是共价结合的(sp2杂化)碳原子的单层。石墨烯可以具有各种结构，该结构根据包括在石墨烯中的五元环或七元环而变化。石墨烯可以形成为单原子层，或者可以通过堆叠多个碳原子而由多原子层形成。
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图IA是根据示例实施例的石墨烯结构100的示意性透视图。參照图1A，石墨烯结构100可以包括具有杆形的模板110和围绕模板110的外周边的石墨烯150。模板110具有杆形，对形成模板110的尺寸和材料没有特別的限定。模板110可以是纳米线或纳米棒， 例如锗纳米线或硅纳米线。在一些情形下，模板110可以具有在从约几微米(μπι)至约几毫米(mm)或更大的范围内。在示例实施例中，当石墨烯结构100用作功能材料的载体吋， 模板110可以包括功能材料。在图IA中，模板110示出为圆柱形，但不限于此。例如，模板110可以具有各种三维(3D)形状，例如如图IB至图ID所示的多边形柱、球形或多面体。石墨烯150可以不紧密地附着到模板110。例如，当模板110由锗Ge形成吋，因为石墨烯150形成在模板110上，所以石墨烯150可以紧密地附着到模板110。然而，石墨烯结构100可以是由于去除模板110而仅由石墨烯150形成的中空石墨烯管。当石墨烯150具有中空管形吋，石墨烯150的外观可以类似于碳纳米管。然而，石墨烯150可以不同于碳纳米管之处在于，模板110可以与石墨烯150相互作用。此外，典型的碳纳米管，例如多壁碳纳米管，具有约IOOnm或更小的直径。然而，根据示例实施例的石墨烯结构100在其直径大小上没有限制。例如，石墨烯结构100可以形成为从IOOnm至约 Imm的直径。此外，根据示例实施例的石墨烯结构100可以形成为约IOOnm或更小的直径。 此外，由于石墨烯150取决于模板110的形状，当模板110为如图IB所示的多边柱形吋，石墨烯150的截面可以具有多边管形。对于另一示例，当模板110为如图IC所示的球形吋， 石墨烯150可以具有球壳形。对于另一示例，当模板110为如图ID所示的多面体形状吋， 石墨烯150可以具有多面体壳形。如上所述的石墨烯结构100可以用于利用石墨烯的物理和化学性质的器件、传感器或机械结构。此外，由于对形成模板110的材料没有限制，所以石墨烯结构100还可以用于保护或运输预定或给定的功能材料。图2A至图2D是示出根据示例实施例的形成图IA的石墨烯结构100的示例方法的透视图。參照图2A，可以制备由Ge形成的模板110。例如，模板110可以是Ge纳米线或单晶Ge棒。此外，模板110可以具有各种3D形状，例如多边形柱、球形或多面体(參照图 IB 至 1D)。參照图2B，石墨烯150可以生长在模板110的外周边上。利用Ge形成石墨烯的可行方法已经在登记到当前发明人的美国专利申请登记号12/976874中公开。例如，石墨烯 150可以通过使用化学气相沉积(CVD)法形成在模板110的外周边上，也就是如图2C所示在将模板110置于反应室190中之后将含碳气体G注入到反应室190中。更具体地，含碳气体G可以是CH4、C2H2, C2H4或CO。石墨烯150可以在约0. Itorr至760torr的室压カ下在从约200°C至1100°C的范围内的温度约10分钟至约60分钟而形成。Ge具有与碳的约937°C的相对高的共熔温度， 碳在Ge中的溶解度极限可以为约IO8原子/cm3，这是相对低的水平。也就是，由于碳的溶解度在从约700°C至约850°C的范围内的温度(其是典型的石墨烯沉积温度)下相对低，所以碳可以容易地从模板110也就是Ge的外周边沉积，因此可以容易地形成具有单原子层的石墨烯150。此外，具有多原子层例如双原子层、三原子层或以上的石墨烯150可以通过改变沉积条件而形成。
作为形成石墨烯的常规CVD方法，已经提出使用金属催化剂的方法。然而，在使用金属催化剂的方法中，石墨烯会由于在生长石墨烯之后金属催化剂的不充分去除而被污染，或者石墨烯会在去除金属催化剂时被损坏。此外，由于金属催化剂具有相对高的溶解度，形成单原子层的石墨烯会是困难的。然而，在根据示例实施例的形成石墨烯的方法中， 可以不使用金属催化剂，因此石墨烯可以不被任何残留的金属催化剂污染或损坏。因此，可以容易地形成具有单原子层的石墨烯150。如图2D所示，由Ge形成的模板110可以从所得的产物中去除。在示例实施例中， Ge可以容易地溶解在液体例如水中。因而，模板110可以通过浸泡其上生长有石墨烯150 的模板110而被去除，因此可以获得由纯石墨烯150形成的石墨烯结构100。如上所述，模板110的直径或长度没有被特別限定。因此，由根据示例实施例的方法形成的石墨烯150 的直径或长度不受限制。图3A至图3D是示出根据示例实施例的形成图IA的石墨烯结构100的另一方法的透视图。參照图3A，可以制备模板112。用于形成模板112的材料没有被特別限定。例如， 模板112可以由玻璃、蓝宝石、塑料、金属、硅、硅氧化物、半导体化合物或复合材料形成。模板112可以是纳米结构，例如纳米线或纳米棒，并可以具有在从约几μ m至约几mm或更大的范围内的尺寸。如图3A所示，模板112可以具有圆柱形，或各种3D形状，例如多边形柱、 球形或多面体。參照图加，Ge层115可以沉积在模板112的外周边上。例如，Ge层115可以在将模板112置于反应室(未示出)中之后利用CVD方法通过将含( 气体例如GeH4或GeCl4注入到反应室中而形成。Ge层115可以在从约200°C至约900°C的范围内的温度在从约Itorr 至约300torr的范围内的压カ下形成为从约IOnm至约IOym的范围内的厚度。除了 CVD 法之外，Ge层115可以通过原子层沉积(ALD)法、溅射法和电子束蒸发法来形成。Ge层115 可以是单晶层或多晶层。參照图3C，石墨烯150可以生长在Ge层115的外周边上。利用Ge层115形成石墨烯150的方法可以与參照图2B描述的形成石墨烯150的方法基本相同。如图3D所示，通过去除Ge层115可以仅保留石墨烯150中的模板112。在这点上，石墨烯结构100可以包括模板112和围绕模板112的石墨烯150。如上所述，由于对用于形成模板112的材料没有特別的限制，所以可以根据需要来选择用于形成模板112的材料。当重复參照图加和图3C描述的エ艺时，可以形成其中多层的Ge层115和石墨烯 150围绕具有杆形的模板112的外周边的结构。此外，当去除Ge层115吋，可以形成其中多层石墨烯150围绕具有杆形的模板112的结构。由于石墨烯150可以利用Ge形成，所以每层的石墨烯150可以形成为单原子层。此外，每层的石墨烯150可以具有双原子层或三原子层。在如图3C所示形成石墨烯150以及用非Ge材料涂覆石墨烯150的外周边之后，当具有圆柱形的多层石墨烯通过执行參照图3B和图3C描述的エ艺形成吋，非Ge材料层可以形成在多层的石墨烯之间。图4是根据示例实施例的石墨烯结构200的示意性截面图。參照图4，石墨烯结构 200具有堆叠结构，其中第一 Ge层220、第一石墨烯230、第二 Ge层M0、第二石墨烯250、 第三Ge层260和第三石墨烯270可以依次形成在基板210上。用于形成基板210的材料没有被特別限定。当基板210由Ge形成吋，可以省略第一 Ge层220。第一至第三石墨烯 230,250和270的每个可以形成为单原子层，也可以由多原子层形成，例如双原子层、三原子层或更多原子的层。当认为石墨烯通常形成为2D片时，其中石墨烯如根据示例实施例的石墨烯结构200中一样堆叠的石墨烯结构可以被理解为3D形状。在示例实施例中，以具有三层石墨烯的石墨烯结构200作为示例来描述。然而，根据示例实施例的石墨烯结构200可以具有多层石墨烯结构，其中两层的石墨烯或超过四层的石墨烯被堆叠。图5是图4的石墨烯结构200的修改版本的示意性截面图。參照图5，根据修改版本的石墨烯结构201具有以下结构，其中第一至第三Ge层220、240和260可以从图4的石墨烯结构200去除，因此石墨烯230、250和270保留。基板210也可以从第一至第三石墨烯230、250和270(未示出)去除。根据修改版本的石墨烯结构201具有其中原子层的数目可以被精确控制的结构，例如第一至第三石墨烯230、250和270。图6是图4的石墨烯结构200的另一修改版本的示意性截面图。參照图6，根据修改版本的石墨烯结构202具有以下结构，其中第一至第三非Ge层225、245和265可以额外地包括在图4的石墨烯结构200中。第一非Ge层225可以插设在基板210与第一 Ge层 220之间，第二非Ge层245可以插设在第一石墨烯230与第二 Ge层240之间，第三非Ge层 265可以插设在第二石墨烯250与第三Ge层260之间。在随后将描述的エ艺中，由于第一至第三非Ge层225、245和265与石墨烯的形成无关，所以用于形成第一至第三非Ge层225、245和沈5的材料没有被特別限定。第一至第三非Ge层225、245和265的全部可以由相同的材料形成或可以由彼此不同的材料形成。第一至第三非Ge层225、245和265可以由例如玻璃、蓝宝石、塑料、金属、硅、硅氧化物、III-V 族半导体化合物或复合材料形成。图7是图4的石墨烯结构200的另一修改版本的示意性截面图。參照图7，根据修改版本的石墨烯结构203具有其中第一至第三Ge层220、240和260可以从图6的石墨烯结构202去除的结构，因此第一至第三石墨烯230、250和270以及第一至第三非Ge层225、 245和265保留在基板210上。由于石墨烯结构203具有其中第一至第三石墨烯230、250 和270以及第一至第三非Ge层225、245和265交替堆叠的多层结构，所以石墨烯结构203 被理解为超晶格结构。石墨烯结构200、201、202和203具有非常类似于通常半导体器件的结构，因此可以容易地应用到可使用石墨烯的各种电子器件、光学器件和能量器件。图8A至图8E是示出形成图4的石墨烯结构200或图5的石墨烯结构201的示例方法的截面图。參照图8A，第一 Ge层220可以在基板210上形成至例如在从约IOnm至约10 μ m 的范围内的厚度。如參照图3B所述，第一 Ge层220可以通过使用CVD法形成在基板210 上。除了使用CVD法之外，第一 Ge层220还可以通过使用原子层沉积(ALD)法、溅射法或电子束蒸发法来形成。在示例实施例中，基板210可以由Ge形成。在示例实施例中，第一 Ge层220可以是基板210的上表面。參照图8B，第一石墨烯230可以生长在第一 Ge层220的上表面上。使用第一 Ge 层220生长第一石墨烯230的方法可以与參照图2B描述的方法基本相同。
如上所述，利用Ge生长石墨烯的エ艺可以重复地进行。結果，如图8C所示，多层的石墨烯可以通过在基板210上依次堆叠第一 Ge层220、第一石墨烯230、第二 Ge层对0、 第二石墨烯250、第三Ge层260和第三石墨烯270而形成。在生长石墨烯的常规方法的情形下，在形成石墨烯之后，石墨烯可以被机械或化学地剥落从而被使用。然而，在根据示例实施例的形成石墨烯的方法中，石墨烯可以被直接堆叠，因此可以实现难以通过使用常规方法实现的多层石墨烯结构。如图8D所示，第一至第三Ge层220、240和260可以从所得产物去除。如图8E所示，第一至第三石墨烯230、250和270保留在基板210上。在示例实施例中，石墨烯结构可以由在基板210上的多层石墨烯形成，该多层石墨烯由第一至第三石墨烯230、250和270 形成。第一至第三石墨烯230、250和270的每个可以形成为单原子层，因此原子层的数目可以被精确地控制，例如在石墨烯结构200中的第一至第三石墨烯230、250和270。如果需要，第一至第三石墨烯230、250和270的每个可以形成为多原子层，例如双原子层、三原子层或更多原子的层。图9A至图9E是示出形成图6的石墨烯结构202或图7的石墨烯结构203的示例方法的截面图。參照图9A，第一非Ge层225可以形成在基板210上，第一 Ge层220可以形成在第一非Ge层225上。第一非Ge层225可以通过除Ge之外的任何材料形成。例如，第一非Ge层225可以由玻璃、蓝宝石、塑料、金属、硅、硅氧化物、半导体化合物或复合材料形成。第一非Ge层225可以基于用于形成第一非Ge层225的材料通过使用 CVD法、ALD法、溅射法或电子束蒸发法来形成。參照图9B，第一石墨烯230可以形成在第一 Ge层220的上表面上。通过使用第一 Ge层220生长第一石墨烯230的方法可以与參照图2B描述的方法基本相同。如上所述，通过使用Ge来生长石墨烯的エ艺可以重复地进行。結果，如图9C所示， 多层的石墨烯可以通过在基板210上依次堆叠第一非Ge层225、第一 Ge层220、第一石墨烯230、第二非Ge层M5、第二 Ge层M0、第二石墨烯250、第三非Ge层洸5、第三Ge层260 和第三石墨烯270而形成。第一至第三非Ge层225、245和265可以由相同的材料形成，或者也可以由彼此不同的材料形成。如图9D所示，第一至第三Ge层220、240和260可以被去除。因此，如图9E所示， 可以形成超晶格结构，其中第一至第三石墨烯230、250和270以及第一至第三非Ge层225、 245和265交替堆叠在基板210上。图10是根据示例实施例的石墨烯结构300的示意性截面图。图IlA至图IlD是示出形成图10的石墨烯结构300的示例方法的截面图。參照图10和图11A，具有预定或给定图案的第一 Ge层320可以形成在基板310上。没有形成第一 Ge层320的区域325可以用例如硅的材料来填充，其上不生长石墨烯。參照图10和图11B，第一石墨烯330可以形成在第一 Ge层320上。因此，第一石墨烯330具有与第一 Ge层320基本相同的图案。參照图10和图11C，具有预定或给定图案的第二 Ge层340可以形成在其上形成有第一石墨烯330的层上。没有形成第一 Ge层340的区域345可以用例如硅的材料填充，其上不生长石墨烯。第一石墨烯330可以由单原子层或几个原子的层形成，因此第一石墨烯 330的厚度可以被忽略。
參照图10和图11D，第二石墨烯350可以形成在第二 Ge层340上。第二石墨烯 350具有与第一 Ge层340基本相同的图案。以相同的方式，第三Ge层360 (參照图10)和第三石墨烯370(參照图10)也可以形成在其上形成有第二石墨烯350的层上。具有以上如图10所示的结构的石墨烯结构300具有堆叠结构，其中第一至第三石墨烯330、350和370可以堆叠。第一至第三石墨烯330、350和370的每个的图案可以用于实现预定或给定电子器件的功能或布线电路。在示例实施例中，具有三层石墨烯的石墨烯结构300可以作为示例来描述。然而， 根据示例实施例的石墨烯结构300可以具有多层石墨烯结构，其中两层的石墨烯或超过四层的石墨烯可以被堆叠。图12是根据示例实施例的石墨烯结构400的透视图。根据示例实施例的石墨烯结构400可以具有堆叠柱，其中第一至第四支撑层420、440、460和480以及第一至第四石墨烯430、450、470和490可以交替堆叠在基板410上。堆叠柱可以是參照图4描述的石墨烯结构200或參照图7描述的石墨烯结构203的修改版本。也就是，根据示例实施例的石墨烯结构400可以为通过蚀刻石墨烯结构200和203的除了预定或给定区域之外的所有区域而形成的结构。第一至第四石墨烯430、450、470和490的边缘430a、450a、470a和490a以及基板的边缘410a可以分别暴露到外部环境。用于形成第一至第四支撑层420、440、460和480 的材料没有被特別限定。例如，如在參照图4描述的石墨烯结构200中一祥，第一至第四支撑层420,440,460和480可以由Ge形成。可替代地，如在參照图7描述的石墨烯结构203中一祥，第一至第四支撑层420、 440、460和480可以由非Ge材料形成。第一至第四石墨烯430、450、470和490的暴露到外部环境的边缘430a、450a、470a和490a以及基板暴露到外部环境的边缘410a可以根据由于蚀刻引起的切除形状而具有扶手椅形状或Z字形。边缘410a、430a、450a、470a和490a 可以是氢封端(H封端)的或者用预定或给定的功能团处理。图13是根据示例实施例的石墨烯结构500的示意性剖面透视图。石墨烯结构500 可以是參照图4描述的石墨烯结构200或參照图7描述的石墨烯结构203的修改版本。也就是，根据示例实施例的石墨烯结构500可以具有多孔的多层石墨烯结构，其中多个孔580可以形成在多层石墨烯中，该多层石墨烯通过在基板510上交替堆叠第一至第三支撑层520、540和560以及第一至第三石墨烯530、550和570而形成。在图13中，孔580具有圆形。然而，根据示例实施例的孔580的形状不限于此。 也就是，孔580可以具有多边形或任何其他形状。功能材料可以注入到孔580中。例如，当孔580具有在从几nm至几十nm的范围内的尺寸吋，例如量子点磷光体的材料可以注入到孔580中。图14是根据示例实施例的石墨烯结构600的示意性透视图。图15A至图15D是示出形成图14的石墨烯结构600的示例方法的截面图。參照图15A，多层石墨烯可以包括交替堆叠在基板610上的第一至第三Ge层620、640和660以及第一至第三石墨烯630、650 和670。多层石墨烯可以是參照图4描述的石墨烯结构200。參照图15B，多层石墨烯可以被蚀刻成预定或给定图案。第一至第三Ge层620、640 和660的每个的侧表面以及第一至第三石墨烯630、650和670的每个的边缘可以在被蚀刻区域680的侧表面上被暴露到外部环境。參照图15C，侧面石墨烯690可以形成在被暴露的第一至第三Ge层620、640和660 的每个的侧表面上。侧面石墨烯690可以连接到第一至第三石墨烯630、650和670的每个的被暴露在蚀刻区域680中的边缘。因此，可以实现由第一至第三石墨烯630、650和670 的侧表面和侧面石墨烯690形成的3D形状。如图15D所示，第一至第三Ge层620、640和660可以从所得产物去除。尽管没有示出，但是侧面石墨烯690可以不形成在第一至第三Ge层620、640和660的侧表面的部分上。当第一至第三Ge层620、640和660被如上所述去除吋，可以实现仅由第一至第三石墨烯630、650和670以及侧面石墨烯690形成的3D结构。当基板610被去除吋，可以实现由纯石墨烯形成的3D结构。上述结构是通过石墨烯实现的示例3D形状。此外，各种3D形状可以通过限制其上形成侧面石墨烯690的区域、通过将第一至第三石墨烯630、650和670的每个形成为预定或给定图案或者通过采用示例实施例中描述的方法来实现。具有3D形状的石墨烯可以用于实现3D器件，例如电路、电子器件、光学器件或能量器件，此外，可以用于实现纳米尺寸的机械结构。在示例实施例中，具有三层石墨烯的石墨烯结构600仅是示例。根据示例实施例的石墨烯结构600可以具有多层石墨烯结构，其中两层石墨烯或超过四层的石墨烯可以被堆叠。尽管已经參照示例实施例具体示出和描述了石墨烯结构和形成该石墨烯结构的方法，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化，而不背离权利要求书的精神和范围。本申请要求于2010年12月7日在韩国知识产权局(KIPO)提交的韩国专利申请 No. 10-2010-0124233的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
权利要求
1.ー种石墨烯结构，包括 模板，具有三维形状；和石墨烯，构造为覆盖所述模板的外周边的至少一部分。
2.如权利要求1所述的石墨烯结构，其中所述模板具有杆形，所述石墨烯构造为围绕所述模板的外周边。
3.如权利要求2所述的石墨烯结构，其中所述模板是纳米线和纳米棒中的至少ー种。
4.如权利要求1所述的石墨烯结构，其中所述模板由锗形成或者包括在其表面上的锗涂広。
5.ー种石墨烯结构，包括形成为中空管的石墨烯。
6.ー种石墨烯结构，包括 第一支撑层；第一石墨烯，在所述第一支撑层上； 第二支撑层，在所述第一石墨烯上；以及第二石墨烯，在所述第二支撑层上。
7.如权利要求6所述的石墨烯结构，其中所述第一和第二支撑层由锗形成或者包括在其上表面上的锗涂层。
8.如权利要求6所述的石墨烯结构，其中所述第一石墨烯和所述第二石墨烯中的至少一个被图案化。
9.如权利要求6所述的石墨烯结构，还包括 第三支撑层，在所述第二石墨烯上；以及第三石墨烯，在所述第三支撑层上以形成多层石墨烯结构。
10.如权利要求9所述的石墨烯结构，其中所述多层石墨烯结构包括在其中的多个孔。
11.ー种石墨烯结构，包括第一石墨烯；第二石墨烯，在垂直方向上与所述第一石墨烯的表面分离；以及第三石墨烯，构造为交叉所述第一石墨烯和所述第二石墨烯并支撑所述第一石墨烯和所述第二石墨烯。
12.—种形成石墨烯结构的方法，该方法包括将三维模板置于反应室中，该模板包括由第一锗层形成的至少ー表面；以及通过供应含碳气体到所述反应室中而沿着所述第一锗层的外周边生长第一石墨烯。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述模板具有杆形。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述模板是第一锗层，并且所述模板在形成所述第一石墨烯之后被去除。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述模板由非锗材料形成，所述第一锗层形成在所述模板的至少一部分上。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一锗层在形成所述第一石墨烯之后被去除。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述第一锗层根据图案而形成，所述第一石墨烯沿着所述第一锗层的所述图案生长。
18.如权利要求12所述的方法，还包括 在所述第一石墨烯上形成第二锗层；以及在所述第二锗层上形成第二石墨烯。
19.如权利要求18所述的方法，其中在所述第一石墨烯上形成所述第二锗层包括 使用非锗材料在所述第一石墨烯上形成非锗层；以及在所述非锗层上形成第二锗层。
20.如权利要求18所述的方法，还包括通过在所述第二石墨烯上重复堆叠另ー锗层和另一石墨烯而形成多层石墨烯。
21.如权利要求20所述的方法，还包括 在所述多层石墨烯中形成多个孔；以及用功能材料填充所述多个孔。
22.如权利要求18所述的方法，还包括根据图案来蚀刻所述第一石墨烯和所述第二石墨烯。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述第一石墨烯和所述第二石墨烯的通过蚀刻而暴露的边缘是氢封端的或用功能团处理。
24.如权利要求22所述的方法，还包括在所述第一石墨烯和所述第二石墨烯的通过蚀刻暴露的侧表面上形成第三石墨烯。
25.如权利要求M所述的方法，其中所述第一锗层和所述第二锗层在形成所述第三石墨烯之后被去除。
26.如权利要求12所述的方法，其中所述第一石墨烯是单原子层、双原子层和三原子层中的至少ー种。
全文摘要
本发明提供了石墨烯结构及其形成方法。该石墨烯结构可以包括以三维(3D)形状形成的石墨烯，例如柱形、堆叠结构和三维连接的结构。石墨烯结构可以通过使用锗(Ge)形成。
文档编号C01B31/04GK102557017SQ201110389290
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月30日 优先权日2010年12月7日
发明者崔秉龙, 李银京, 黄同穆 申请人:三星电子株式会社