[发明专利]一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，且特别涉及一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法。

背景技术

石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为单层原子层的厚度—几埃的量级。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异性质。例如，石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍；其载流子迁移率达15000cm²/(V·s)，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，超过商用硅片迁移率的10倍以上，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可达250000cm²/(V·s)；其热导率可达5000W/(m·K)，是金刚石的3倍；还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。由于其优良的机械和光电性质，结合其特殊的单原子层平面二维结构及其高比表面积，可以制备基于石墨烯的各种柔性电子器件和功能复合材料。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点，人们普遍预测石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景，可望在21世纪掀起一场新的技术革命。

在半导体硅材料中，载流子沿着不同晶向的传输特性不一样。和硅中载流子输运特性类似，石墨烯一般有两种类型的边缘结构，请参考图1，图中1为Zigzag（锯齿形），2为Armchair（扶手椅形）。研究表明，两种不同边缘的石墨烯的性质也不一样：采用紧束缚模型计算的结果显示Zigzag边缘的石墨烯显示出金属键性质，而Armchair边缘的石墨烯，则视石墨烯的宽度显示出金属键或者半导体性质。根据不用的应用领域要求，需要石墨烯表现出金属键或者半导体性质，因此如何控制图形化后石墨烯的边缘是一项非常重要的工作。对于制备好的石墨烯薄膜，如果没有先确定石墨烯的晶向，随机地沿着某方向对石墨烯进行光刻、刻蚀的图形化过程，图形化之后的石墨烯边缘是不确定的，无法得到特定边缘的石墨烯图形，不利于石墨烯用于不同的应用场合。对于常规硅材料，一般采用X射线衍射XRD来确定硅的晶向，并通过标记图形来完成后续工艺的对准。而对于只有单层或者几层碳原子层的石墨烯而言，不便于采用传统的XRD确定其晶向；如果采用TEM等手段来确定其晶向则成本较高，不适于大生产应用。

请参阅图4，研究表明，如果在大面积的石墨烯中特意引入人工缺陷3，缺陷处已经有C-C键的断裂，随后采用含H等离子体对石墨烯进行刻蚀，刻蚀出来的图形不是等比例地将人工缺陷放大，而是沿着石墨烯晶向的规则正六边形，并且正六边形的边缘是特定的Zigzag边缘，如图5所示，而且刻蚀出来的标记图形4与特意引入的人工缺陷3的形状无关。因此，利用石墨烯的该特性能够制备出特定边缘石墨烯图形，并且方法简单，与传统CMOS工艺兼容，适于大生产应用。

发明内容

针对以上问题，为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，以解决现有技术中难以得到所需特定边缘的石墨烯图形。

本发明提供一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，包括：

步骤S01：制备石墨烯薄膜；

步骤S02：在所述石墨烯薄膜上形成人工缺陷；

步骤S03：采用H等离子体对所述石墨烯薄膜进行各向异性刻蚀，沿着所述人工缺陷处形成石墨烯晶向标记图形；

步骤S04：将带有所述石墨烯晶向标记图形的石墨烯薄膜和目标衬底对准后转移至目标衬底；

步骤S05：依次采用光刻和氧等离子刻蚀工艺对所述石墨烯薄膜进行图形化，得到具有特定边缘的石墨烯图形。

优选地，所述石墨烯薄膜的制备工艺为CVD淀积、SiC热分解、或氧化还原法。

优选地，所述人工缺陷依次通过光刻和氧等离子体刻蚀工艺形成，其形状为任意形状。

优选地，所述人工缺陷在制备所述石墨烯薄膜的过程中形成。

优选地，所述含H等离子体中的H可以来自于H₂、HCl或其他含有H原子的前躯体。

优选地，所述各向异性刻蚀的位置在所述人工缺陷处。

优选地，所述石墨烯晶向标记图形为沿着石墨烯晶格的正六边形，且所述正六边形的边缘结构为Zigzag图形。

优选地，所述特定边缘为zigzag、armchair或者其他特定边缘。