一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法与流程

本发明涉及石墨烯掺杂，特别涉及一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法。

背景技术：

1、石墨烯在21世纪初通过机械剥离法获得，由于其具有超高电子迁移率，显著的热传导性能以及良好的光学性能，长期以来得到广泛关注。而掺杂石墨烯的各种潜在应用已经得到证实，包括替代ito薄膜的透明导电薄膜、作为有机发光二极管(oled)阳极的透明导电电极以及催化应用。而离子注入作为半导体掺杂的重要工艺，近年来被许多学者用来进行石墨烯的掺杂。

2、toma susi等人在石墨烯中掺入了p原子，通过x射线光电子能谱(xps)和电子能量损失光谱(eels)观察到p原子成功注入到了石墨烯中，但使用磷进行研究具有挑战性，因为在注入过程中引入的污染层覆盖了大部分石墨烯表面。因此shih-ming he等人通过cvd法生长石墨烯，之后在石墨烯上进行纯金镀膜，通过减缓p离子的注入速度得到了n型的石墨烯同时也可以避免一些金属覆盖到石墨烯表面进行污染。但p元素是有着不稳定的性质，p取代石墨烯后，在环境中很容易被氧化，p-o键的形成过程预计会放热，严重时会影响石墨烯性能。因此有必要选用另外一种元素进行n型掺杂。

3、现有的石墨烯掺杂方法可分为表面电荷转移掺杂和替代掺杂。对于表面电荷转移掺杂，其原理是石墨烯表面的掺杂剂能够作为受主或者施主从石墨烯中提供或提取电子，进而引起石墨烯的掺杂，不过需要掺杂剂与石墨烯的接触程度好，不能存在较多杂质。对于替代掺杂，其原理是让掺杂剂进入到石墨烯的晶格内，替换c原子，在此过程能通过最外层电子数的差异使得石墨烯带隙打开，呈现n型或者p型半导体性质。但对于掺杂原子的均匀性和均匀性难以控制，而原子掺杂均匀度取决于杂原子在石墨烯晶格中的确切位置或吸附剂在石墨烯表面的原子排列，并且原子掺杂均匀度高通常意味着掺杂剂的周期性分布，这是打开石墨烯带隙的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中不足，故此提出一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，使用氮化硅作为阻挡层，能够使得n注入过程中减小晶格损伤，并且n原子的相对原子质量小，也能起到降低晶格损伤的作用；最后n元素的稳定性要比p元素好，确保了n原子能够尽可能地掺杂到石墨烯的晶格中。

2、具体采用了如下技术方案：

3、制备方法包括如下：

4、s1准备一个衬底，使用剥离法把石墨烯材料进行剥离，获得单层石墨烯；

5、s2在pdms薄膜上涂覆pva溶液，进行烘干处理，制备得到复合薄膜；

6、s3将制备好的薄膜材料，覆盖到有石墨烯的胶带上，pva面和石墨烯直接接触，并进行加热处理；

7、s4将薄膜从胶带上撕下，此时二维石墨烯将和薄膜材料一起被撕下，将撕下的薄膜定向覆盖到准备好的衬底片上，使石墨烯与sio2接触；

8、s5移除pdms，并在水中加热溶解pva，将石墨烯转移到衬底片上；

9、s6将s5中所得到的衬底片放入ald机台上进行氮化硅的沉积；

10、s7在氮化硅上进行18-28kev的n离子模拟注入；

11、s8通过溶液去掉表面的氮化硅层，得到n型的石墨烯。

12、优选的，在步骤s1中，所述衬底为si。

13、优选的，在步骤s1中，所述衬底为sio2。

14、优选的，在步骤s1中，所述剥离法为采用机械剥离法用胶带把石墨烯材料进行剥离。

15、优选的，在步骤s2中，所述烘干的环境温度为90℃，所述烘干的时长为4min以上。

16、优选的，在步骤s3中，所述加热所处的环境温度为90℃，所述加热的时长为5min以上。

17、优选的，在步骤s5中，所述加热溶解所需水的温度为50℃，所述加热溶解时长为30min。

18、优选的，在步骤s6中，所述沉积的厚度需要通过srim进行模拟对比。

19、优选的，在步骤s7中，所述氮化硅的厚度为30nm。

20、优选的，在步骤s8中，所述溶液为boe溶液。

21、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

22、1.本发明利用ald生长的si3n4作为阻挡层，能够让n离子在阻挡层中进行减速，使得石墨烯在n元素的掺杂作用下呈现极性半导体性质。

23、2.本发明通过使用氮化硅作为阻挡层，能够使得n注入过程中减小晶格损伤，并且n原子的相对原子质量小，也能起到降低晶格损伤的作用；最后n元素的稳定性要比p元素好，确保了n原子能够尽可能地掺杂到石墨烯的晶格中。

技术特征：

1.一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，所述一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法中包括：

2.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s1中，所述衬底为si。

3.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s1中，所述衬底为sio2。

4.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s1中，所述剥离法为采用机械剥离法用胶带把石墨烯材料进行剥离。

5.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s2中，所述烘干的环境温度为90℃，所述烘干的时长为4min以上。

6.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s3中，所述加热所处的环境温度为90℃，所述加热的时长为5min以上。

7.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s5中，所述加热溶解所需水的温度为50℃，所述加热溶解时长为30min。

8.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s6中，所述沉积的厚度需要通过srim进行模拟对比。

9.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s7中，所述氮化硅的厚度为30nm。

10.如权利要求1所述的一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，其特征在于，在步骤s8中，所述溶液为boe溶液。

技术总结
本发明公开了一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，涉及石墨烯掺杂技术领域，本发明包括S1准备一个衬底，使用剥离法把石墨烯材料进行剥离，获得单层石墨烯；S2制备得到复合薄膜；S3将制备好的薄膜材料，覆盖到有石墨烯的胶带上，PVA面和石墨烯直接接触，并进行加热处理；S4将薄膜从胶带上撕下，使石墨烯与S iO2接触；S5移除PDMS，并在水中加热溶解PVA，将石墨烯转移到衬底片上；S6进行氮化硅的沉积；S7在氮化硅上进行18‑28KeV的N离子模拟注入；S8去掉表面氮化硅层，得到n型石墨烯。本发明一种通过离子注入对石墨烯进行氮掺杂的方法，利用ALD生长的S i 3N4作为阻挡层，能够让N离子在阻挡层中进行减速，使得石墨烯在N元素的掺杂作用下呈现极性半导体性质。

技术研发人员：刘超洋,张梦龙,王小周,李京波
受保护的技术使用者：浙江芯科半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15