[发明专利]一种在6H/4H-SiC硅面上利用复合金属辅助生长石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种在6H/4H‑SiC硅面上利用复合金属辅助生长石墨烯的方法，该方法通过高温加热将SiC晶片表面的Si‑C键部分裂解，生成极少量的以C原子为中心的成核位点，然后急剧降温至CVD工艺的生长温度，通过复合金属薄膜的金属通道引入外部碳源并在SiC表面继续生长石墨烯，在复合金属薄膜的金属通道的辅助下，利用SiC内部碳源和外部碳源的协同作用制备大尺寸高品质石墨烯。本发明的方法不仅可以避免传统CVD方法转移过程中对石墨烯的破坏而且减弱了衬底缓冲层的影响，相比单一金属衬底效果更好，能够得到质量更好的石墨烯。

技术领域

本发明涉及一种在6H/4H-SiC硅面上利用复合金属辅助生长石墨烯的方法，属于石墨烯 制备技术领域。

背景技术

石墨烯是二维蜂窝状晶格结构的一种新材料，具有优异的电学、热学和力学性能，有望 在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用， 在工业、电力行业及电子产业都有广阔的应用前景。

石墨烯是由碳原子以sp2轨道杂化形成的呈六角形蜂巢晶格的原子级二维晶体材料，具有 高于商用硅片几十倍的高载流子迁移率，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出优良的 电子传输特性。石墨烯晶体在超高频率电子器件方面有着重要应用价值，优异的性能使其具 有重大的理论研究价值和广阔的应用前景。然而，石墨烯电子器件性能的提升受到石墨烯产 品品质的严重制约，这依赖于石墨烯制备技术和方法的改进。制备出高质量的石墨烯是当前 实现石墨烯应用的前提条件。

SiC半导体材料是一种Ⅳ-Ⅳ族化合物，它的晶格是由相同数目的Si原子和C原子组合而 成。由于硅-碳键约有5eV的较高结合强度，所以SiC遇强酸和强碱不起反应，表现出良好的 化学惰性。同时具有很高载流子迁移率、很强的硬度，不仅如此，还拥有很高的热导率、击 穿电压和电子饱和漂移速度，它的禁带宽度约2.2～3.3eV，拥有很强的抗辐照能力，是一种良 好的石墨烯衬底材料。

从目前报道来看，石墨烯单晶常用的制备方法主要有两大类，一类是化学气相沉积(CVD) 法，另一类是高温SiC热解法。

中国专利文献CN103643288A公开了一种高质量大尺寸单晶石墨烯的制备方法，采用化学气相沉积(CVD)技术，以铜、铂等金属为生长基体，以碳氢化合物为碳源，在含 有氢气的载气存在的情况下，先对金属基体进行热处理，并利用碳源气体高温下催化裂 解，生长出单晶石墨烯。上述CVD方法工艺较为简单、成本低廉，但石墨烯晶体的制备通 常依赖于Cu、Ni或Pt等金属基底，需要将制备的石墨烯晶体剥离并转移到各种绝缘基片上。 在剥离和转移的过程中，容易对石墨烯造成损伤或污染，不利于后续电子器件制备和性能提 高。

唐军等报道了在6H-SiC硅面上生长石墨烯的方法，采用的设备是分子束外延设备，其方 法是样品湿法清洗后，真空下，先在750℃下沉积一层硅，然后升高到1300℃外延生成石墨 烯(见唐军等，退火时间对6H-SiC(0001)表面外延石墨烯形貌和结构的影响，物理化学学 报，2010，26(1)，253-258)。James M.Tour等报道了在硅片上镀镍，在镍上涂一层PMMA 在夹层中生长石墨烯的方法，生长出质量较好的石墨烯(ACS Nano,2011,5,8187–8192)。日 本Toshiaki Kato等等报道了在硅片上镀镍，用等离子CVD法在夹层中生长石墨烯的方法， 生长出质量较好的石墨烯(ACS Nano,2012,6,8508–8515)。上述优化的CVD法在硅片上镀 镍，夹层中生长石墨烯的方法，虽然解决了金属衬底CVD生长石墨烯转移过程中破坏石墨烯 的劣势，但该方法不太适合于SiC衬底，而且得到的石墨烯均匀性也较差，质量一般。