[发明专利]一种基于离子注入技术打开石墨烯带隙的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种打开石墨烯带隙的方法，特别是涉及一种基于离子注入技术打开石墨烯带隙的方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)用一种极为简单的微机械剥离的方法(Micromechanical Cleavage)成功地将石墨层剥离，并观测到了自由且稳定存在的单晶层石墨片，这种可以单独存在的二维有序碳材料被科学家们称为石墨烯。两人也因为在石墨烯领域的开创性研究而获得2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯中载流子迁移率高达2x10⁵cm²·V^-1，其迁移率远远高于半导体行业中大规模应用的硅材料，被认为是未来纳米电子器件中硅的替代者。石墨烯在微电子、新能源、信息技术等领域的应用非常广泛。

然而，与半导体硅不同，石墨烯本身的价带和导带之间没有带隙，是零带隙材料，而带隙是电学应用的关键，因为它能使材料实现电子流的开与关。因此，如果直接用石墨烯构筑场效应晶体管(FET)器件，门控效果极其有限，难以实现开关特性。所以需要打开石墨烯的带隙，使其展现为半导体性能。

打开带隙的方法之一是，将石墨烯加工成名为“石墨烯纳米带（GNR）”的细带状。带隙会根据GNR断面（边缘）的形状打开或闭合。目前为止，石墨烯带的制作都是通过自顶向下的方法，如用激光从大片石墨烯层上“剪”出带状或是“剖”开碳纳米管。这些方法得到的石墨烯带都比较宽（超过10nm），而且边缘粗糙。对于高效率电子器件，要求石墨烯带宽度远小于10nm，而且重要的是边缘要平滑，与理想的“锯齿型”与“椅型”边缘形状的分毫的偏差，都会严重降低石墨烯的电学性能。也有很多研究人员与技术人员都在关注向双层石墨烯施加电压时形成的带隙。但这种带隙的尺寸仅为100meV以上，与热激励能量差别不大。因此，姑且不论在极低温环境下情况如何，在室温下则会导致漏电流增加，开关时的电流比只有100左右。

掺杂被认为是调整石墨烯电学性质的有效手段之一，但是本征石墨烯具有完美的蜂窝状结构，并且厚度太薄，很难像半导体Si一样通过杂质原子的注入，直接将掺杂原子留在基体中。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能够在低温条件下基于离子注入技术打开石墨烯带隙的方法，实现N型和P型石墨烯的掺杂并改善其开关特性。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种打开石墨烯带隙的方法，该方法的基本思路是：用离子束轰击石墨烯表面，轰击掉一些碳原子，使石墨烯表面产生缺陷。然后在PH₃或者B₂H₆等气氛中退火，使P或者B代替被轰掉的碳原子的空位，达到修补缺陷，掺杂的目的，从而将石墨烯带隙打开。

一种打开石墨烯带隙的方法，包括如下步骤：

1）将石墨烯放置在Si片上，然后放入离子注入机中，用离子束轰击所述Si片上的石墨烯，使其产生缺陷；

2）将步骤1）中经过离子束轰击后的有缺陷的石墨烯于合适的气氛中进行退火处理。

优选地，步骤1）中，所述离子束为P⁺。

优选地，步骤1）中，所述离子束的剂量为2x10¹⁴ions/cm²~2x10¹⁶ions/cm²、能量为80kev～120Kev。

优选地，步骤2）中，所述合适的气氛选自PH₃或B₂H₆。

更优选地，所述PH₃或B₂H₆的流量为100~300sccm。

优选地，步骤2）中，所述退火处理的温度为800℃~1000℃。

如上所述，本发明所提供的一种基于离子注入技术打开石墨烯带隙的方法，首先用离子注入技术轰击石墨烯表面，使其表面产生缺陷（空位），然后选择在合适的气体气氛中退火，完成N型或者P型掺杂，从而打开带隙。本发明的方法，实现了在低温条件下（800℃~1000℃）石墨烯的N型或者P型掺杂并改善了其开关特性，拓展了石墨烯在半导体器件中的应用范围。

附图说明

图1显示为本发明的打开石墨烯带隙的方法的工艺流程示意图。

元件标号说明

S1        利用离子注入技术进行离子轰击