[发明专利]钻石裝置上的石墨烯及其相关方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在钻石表面上形成石墨烯及其相关方法。因此，本发明涉及化学与材料科学领域。

背景技术

石墨烯是一种由sp²键结的碳原子所形成的单一原子厚度平面片状物，其中该等sp²键结的碳原子是紧密堆迭成具有蜂巢结晶晶格的苯环状结构(benzene-ring structure)。此二维材料在层状结构的平面中显现出高的电子移动率以及优异的导热性。而石墨则是一种包含有多个彼此相互平行堆迭的石墨烯层。

石墨烯已被广泛地使用于描述很多碳基材料的特性，包括石墨、大型富勒烯、纳米管等。举例来说，碳纳米管可描述成石墨烯片状物卷成纳米尺寸的圆柱体。再者，平面石墨烯本身已经被推定为无法以游离态(free state)存在的物质，且对于形成如烟灰(soot)、富勒烯、纳米管等这种弯曲结构而言是不稳定的。

目前已有人试图将石墨烯整合于如电晶体的电子装置中，然而这样的尝试多半无法成功，其是由于具有适合整合至该等装置中的尺寸的高品质石墨烯层的制造相关的问题。其中一项用以生成石墨烯层的技术涉及将石墨烯平面从高配向性热解石墨(high oriented pyrolific graphite)剥离的方法，使用这种方法只会形成一般而言过小的小薄片，以致于无法在电子应用中被利用。

发明内容

因此，本发明提供一种整合石墨烯材料的钻石装置、石墨烯材料及其相关方法。例如，一方面，提供一种在钻石表面上形成石墨烯的方法，该方法可包括涂布一金属层至一钻石基材的一结晶面，以及在真空下加热该钻石基材，以将位于该结晶面的一部分钻石基材转变为石墨烯。另一方面，该金属层仅涂布在具有相同结晶配向(crystallographic orientation)的钻石基材面上。又一方面，该金属层仅涂布在该钻石基材的单一结晶面。再一方面，该结晶面为一(111)面。此外，一方面，将位于该结晶面的一部分钻石基材转变为石墨烯包括通过麻田散体变态(martensitic transformation)转变部分的该钻石基材。另一方面，该钻石基材为一纳米钻石。

各种金属材料皆被纳入考虑，且任何能够促进钻石表面中的碳原子形成石墨烯的金属皆视为本发明的范畴。例如，在一实施例中，该金属可为一金属合金。可用于金属合金中的金属的非限制性的例子包括：铁、镍、钴及其类似物，包含其等的组合物。可与所述的金属混合成合金的金属的非限制性的例子包括：铜、锌及其类似物，包含其等的组合物。

制造方法条件可取决于不同的因素而改变，例如：钻石基材的本质、具有该石墨烯材料的预定组成物及其类似物。因此，根据本发明的实施例，任何能够在钻石基材上制造石墨烯的制造方法条件皆视为本发明的范畴。即，在一实施例中，该钻石基材加热至大约600℃至大约1400℃之间的温度。在又一实施例中，该真空大约10^-4托耳(torr)至大约10^-6托耳。

该石墨烯材料可被单独使用或是与该钻石基材合并使用。因此，在一实施例中，该方法可包括使该石墨烯由该钻石基材脱离。在另一实施例中，该石墨烯材料可维持与钻石基材相连接，以便使用作为一整合的钻石-石墨烯装置。例如，在一实施例中，该石墨烯材料上可沉积一半导体材料。在一具体的实施例中，该石墨烯上以磊晶方式沉积有该半导体材料。

多种不同的装置可得益于介于钻石基材的结晶晶格(crystal lattice)与石墨烯材料晶格(graphene material lattice)间的对应关系。例如，在一实施例中，该钻石基材与该石墨烯之间维持有一磊晶关系(epitaxial relationship)。在一具体的实施例中，该钻石基材与该石墨烯材料在一氢气气氛下加热至大于或等于大约700℃的温度，以气化未磊晶(non-epitaxial)的碳原子。

本发明还提供一钻石-石墨烯装置，该装置可包括一钻石基材以及一石墨烯材料，该石墨烯材料形成在钻石基材的一结晶表面上，且以磊晶方式对齐该钻石基材的结晶表面。该石墨烯材料经配向(oriented)，使得实质上全部的石墨烯平面平行于该结晶表面。此外，在一实施例中，该石墨烯材料是由一部分的钻石基材所形成。在另一实施例中，该石墨烯材料形成于钻石基材的一(111)面上。