专利名称：石墨烯晶片的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种材料的制备方法，尤其涉及一种在基板上制备石墨烯晶片的方法。
背景技术：
2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈 K 海姆(Andre K. Geim)等制备出了石墨 烯。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬，石墨烯中各碳原子之间的连接非 常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外 力，也就保持了结构的稳定；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快，电子 的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。现代集成电路是以硅材料为基础的，随着半导体工艺和加工技术的进步，现代硅 晶体管器件的加工尺寸越来越小。硅材料的加工尺寸小于lOnm时，受量子物理的制约，硅 器件的稳定性和制造成本都迎来巨大的挑战。由此，人们开始研究碳基材料的电子学，石 墨烯具有良好的物理化学性质，被认为是未来微电子技术可能取代硅的最有希望的候选材 料。目前石墨烯晶片的制备方法主要有以下几种(1)用胶带从高纯石墨上机械剥离单层或多层石墨烯，再转移到硅片等半导体基 板上。此方法的优点是制备的石墨烯晶体质量高，工艺简单；缺点是制备的石墨烯尺寸小， 是微米量级，石墨烯的尺寸、性质和位置都难以控制。(2)在高温下热分解碳化硅法此方法的优点是石墨烯质量高，可以控制制备的 石墨烯的层数；缺点是碳化硅衬底非常昂贵，实验过程需要1400°C以上的高温。(3)在金属或其它衬底上化学气相沉积石墨烯晶片此方法的优点是可以在低温 下生长，而且没有衬底尺寸的限制；缺点是这个过程是一个接触反应，需要去除接触层。(4)化学合成化学合成法的优点是成本低，制备简单；缺点是石墨烯的层数控制 困难，向其它衬底转移比较困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯晶片尺寸大、性质和位置都易于控 制的石墨烯晶片的制备方法。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是一种石墨烯晶片的制备方法， 其中将经过表面处理的基板与石墨进行表面贴合，施加外应力使基板与石墨间产生原子键 合力，用机械力将基板与石墨拉开即在基板上得到石墨烯晶片。施加外应力时采用下述方法中的一种或几种热处理方法、机械施力法、施加电压 法；其中热处理方法中的温度为500 800°C，热处理时间30分钟 5小时；机械施力法压力大小范围为l-20Kg/cm2 ；施加电压法中施加的是直流电压500 1000V，并将基板和石墨的温度加热到300 500 °C。所述基板为下述材料制备的基板中的一种半导体晶片基板、离子晶体基板、玻璃 基板、金属基板。采用上述技术方案所产生的有益效果在于由于是在基板上直接制备石墨烯晶 片，而不是将制备好的石墨烯晶片贴装到基板上，这样可根据实际需要制备大面积的石墨 烯，尺寸易于控制，并且位置容易对准；另外，制备时并未采用复杂的工艺流程，而是采用 工艺上容易实现的方法，因此重复性高，可实现自动化批量生产；同时，用本方法制备的石 墨烯晶片与微电子制备工艺相兼容，使制备的石墨烯晶片可以直接用于制备各种器件和电 路。
具体实施例方式本发明提供的一种石墨烯晶片的制备方法，其中包括以下步骤1)将经过镜面抛光、表面清洗、烘干等步骤处理后的基板与石墨进行表面贴合，使 用键合机将贴合后的基板和石墨压紧。石墨和基板表面的镜面抛光包括机械抛光和化学抛 光，表面的清洗根据基板材料的不同而不同，根据需要对材料进行等离子体表面处理可使 表面层原子处于高能量状态，提高基板表面层吸附C4-的能力。2)施加外应力使基板与石墨间产生原子键合力，施加外应力时采用对材料加热、 机械施力、在材料上加高电压中的一种方法或两种方法或者同时使用三种方法。3)用机械力将基板与石墨拉开即在基板上制备得到石墨烯晶片。采用机械力将石 墨从基板上去除，即用机械力将石墨和基板拉开，将石墨烯晶片留在基板表面。由于石墨原 子层间是弱的范德华力，石墨和基板间的原子结合力远大于范德华力，去除石墨后将有大 面积的单层或多层石墨烯留在基板表面，形成石墨烯晶片。此方法可以适用于在各种基板上制备石墨烯晶片。基板材料包括各种半导体单 晶衬底，例如Si、GaAs、InP、SiC、GaN等；各种离子晶体，如石英、蓝宝石、MgO、NaCl、Ti02 等；玻璃等非晶体材料；金属材料，如Fe、Cu、Al、Au等。根据需要，基板表面可以沉积、外 延、热生长、氧化生成各种介质材料如Si02、SiNx、A1203、Hf02、金属Ti、金属Au等。此方法中的石墨和基板可以是各种尺寸的圆片、方形片或其它形状。下面结合两个具体实施例对本发明作进一步详细说明。实施例一在4英寸(100) Si表面制备Si/Si02/石墨烯晶片复合材料，硅片选用表面热氧化 生成300nm Si02膜的(100) Si片，石墨选用4英寸高定向裂解石墨(H0PG)圆盘。制备步 骤如下1)石墨和硅片表面的清洁将经过镜面抛光的硅片在H2S04和H202混合溶液中煮，再在稀HF溶液中漂，再用去 离子水冲干净并在室温下甩干。将经过镜面抛光石墨先在丙酮溶液中煮，再在无水乙醇中 漂，再用去离子水冲干净并在室温下甩干。2)石墨和硅片之间键合将清洁好的石墨与有Si02膜的硅片贴合，贴合的硅片快速投入高温炉中进行热处 理，热处理温度为500 800°C，热处理时间30分钟 5小时，然后缓慢降温到室温。热处理的作用是使SiO2膜表面的Si原子和石墨表面的碳原子产生强的原子键合力，热处理的 时间和温度影响形成石墨烯晶片的径向尺寸和厚度。石墨烯晶片的径向尺寸和厚度与热处 理时间成正比，在高温下，Si原子和C发生电子交换，形成共价电子，键合时间越长，Si原子 和C原子间形成共价电子越多；温度越高，电子自由程越大，Si原子可以和更远的C原子形 成共价电子。 3)用镊子夹住石墨和硅片用力拉开，把石墨和硅片分开，硅片表面即有径尺寸为 毫米大小的石墨烯晶片。4)用微区拉曼散射光谱分析表征石墨烯晶片的存在和层数。用此方法制备的Si/Si02/石墨烯复合材料可以用来制备金属_氧化层_半导 体_场效晶体管结构的石墨烯场效应晶体管。此方法中所用的硅片可以用GaAs、InP, SiC、GaN等半导体基板或石英、蓝宝石、 MgO、NaCUTiO2等离子晶体基板或玻璃基板或Fe、Cu、Al、Au等金属基板代替。实施例二在2英寸蓝宝石表面制备蓝宝石/石墨烯晶片复合材料，石墨选用2英寸HOPG石 墨圆盘。制备的具体步骤如下1)石墨表面的清洁将经过镜面抛光的2英寸石墨圆盘先在丙酮溶液中煮，再在无水乙醇中漂，用去 离子水冲干净并在室温下甩干。蓝宝石衬底是开盒即用的，不用清洗。将2英寸蓝宝石衬 底和石墨圆盘正面贴合。2)石墨和蓝宝石之间键合此过程采用加电压的方法进行。直流电源正极接蓝宝石-石墨复合材料，负极接 蓝宝石，电压500 1000V，将蓝宝石-石墨复合材料加热到300 500°C。在电压作用下， 蓝宝石中的Al3+将向负极方向漂移，在紧邻石墨的蓝宝石表面形成耗尽层，耗尽层宽度约 为几微米。耗尽层带有负电荷，石墨带正电荷，石墨和蓝宝石之间存在较大的静电引力，从 而使二者紧密接触。这样外加电压就主要加在耗尽层上，通过电路中电流的变化情况可以 反映出静电键合的过程。刚加上电压时，有一个较大的电流脉冲，之后电流逐渐减小，最后 几乎为零，此时说明石墨和蓝宝石之间产生很强的化学键。静电键合中，静电引力起着非常重要的作用，样品冷却到室温后，耗尽层中的电荷 不会完全消失，残存的电荷在石墨中诱生出镜像正电荷，它们之间的静电力有IMPa左右。 可见较小的残余电荷仍能产生可观的键合力。另外，在比较高的温度下，紧密接触的石墨/ 蓝宝石界面会发生化学反应，形成牢固的化学键，如C-O-Al键等。3)断掉电压，停止加温，冷却后用机械力把石墨和蓝宝石分开，蓝宝石表面即有几 毫米大小的石墨烯晶片。4)用微区拉曼散射谱检测石墨烯晶片的存在和层数。此方法可直接在绝缘蓝宝石基板表面制备石墨烯晶片，还可以应用于石英、MgO、 玻璃等离子晶体基板上。实施例三在4英寸硅片表面制备硅/石墨烯晶片复合材料，石墨选用2英寸HOPG石墨圆盘。 制备的具体步骤如下
1)将经过镜面抛光的硅片在H2S04和H202混合溶液中煮，再在稀HF溶液中漂，再 用去离子水冲干净并在室温下甩干。将经过镜面抛光2英寸石墨圆盘先在丙酮溶液中煮， 再在无水乙醇中漂，再用去离子水冲干净并在室温下甩干。2)使用键合机完成硅片和石墨圆盘之间的键合。所加压力的大小和基板尺寸、材 料、表面翘曲度等相关，压力大小范围为l-20Kg/cm2。3)键合完后用机械力把石墨和硅片分开，硅片表面即有几毫米大小的石墨烯晶 片。4)用微区拉曼散射谱检测石墨烯晶片的存在和层数。此方法可直接在硅片基板表面制备石墨烯晶片，还可以应用于其他各种基板上。 此方法中所用的硅片可以用GaAs、InP、SiC、GaN等半导体基板或石英、蓝宝石、MgO、NaCl、 Ti02等离子晶体基板或玻璃基板或Fe、Cu、Al、Au等金属基板代替。
权利要求
一种石墨烯晶片的制备方法，其特征在于将经过表面处理的基板与石墨进行表面贴合，施加外应力使基板与石墨间产生原子键合力，用机械力将基板与石墨拉开即在基板上得到石墨烯晶片。
2.根据权利要求1所述的石墨烯晶片的制备方法，其特征在于施加外应力时采用下述 方法中的一种或几种热处理方法、机械施力法、施加电压法；其中热处理方法中的温度为500 800°C，热处理时间30分钟 5小时；机械施力法压力大小范围为l-20Kg/cm2 ；施加电压法中施加的是直流电压500 1000V，并将基板和石墨的温度加热到300 500 °C。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯晶片的制备方法，其特征在于所述基板为下述基 板中的一种半导体晶片基板、离子晶体基板、玻璃基板、金属基板。
4.根据权利要求3所述的石墨烯晶片的制备方法，其特征在于所述半导体晶片基板为 Si、GaAs、InP、SiC、GaN 中的一种。
5.根据权利要求3所述的石墨烯晶片的制备方法，其特征在于所述离子晶体基板为石 英、蓝宝石、Mg0、NaCl、Ti02中的一种。
6.根据权利要求3所述的石墨烯晶片的制备方法，其特征在于所述金属基板为Fe、Cu、 Al、Au中的一种。
全文摘要
本发明公开了一种石墨烯晶片的制备方法，该方法将经过表面处理的基板与石墨进行表面贴合，施加外应力使基板与石墨间产生原子键合力，用机械力将基板与石墨拉开即在基板上得到石墨烯晶片。解决了目前生产的石墨烯晶片尺寸小，以及尺寸、性质和位置都难以控制的问题，使用该方法可以制备得到大面积的石墨烯晶片，尺寸容易控制，重复性高，可实现自动化批量生产。
文档编号H01L21/20GK101872718SQ201010186220
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者冯志红, 刘波, 尹甲运, 敦少博, 李佳, 蔡树军 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所