[发明专利]一种超声波辅助剥离石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种超声波辅助剥离石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，单层仅原子厚度，它具有极其优异的物理化学性质，利用其极高的载流子迁移率（理论估计超过2×10⁵cm²V^-1s^-1，是硅的数百倍），可以制成超高速电子器件；利用超强的机械性能（杨氏模量约10³GPa），可以研制超轻超强度的复合材料；利用其极高的比表面积和极好的气敏特性，可以研制高灵敏度的气敏探测器；利用其极高的透明性和柔韧性，可以制备高柔韧性的透明电极；最奇特的是它具有半整数量子霍尔效应和室温量子霍尔效应，是绝佳的理论物理研究素材。因此，石墨烯无论在基础研究还是微电子、光电子、材料和生物等多个领域具有极大的应用潜力。

尽管石墨烯具有如此优异的性质，但是目前制备高质量石墨烯仍然存在很多亟待解决的关键问题，例如层数可控性不高、均匀性差、受衬底影响晶体尺寸不大、缺陷高等等，严重影响了石墨烯的各项性能指标。国际上最新报道，过渡族金属化学气相沉积（CVD）技术制备的石墨烯载流子迁移率仅有2000~8000cm²V^-1s^-1，碳化硅（SiC）衬底热解技术制备的石墨烯迁移率也只有20000cm²V^-1s^-1左右且均匀性很差，远远低于理论。因此，对于理论物理和基础研究甚至应用基础研究的学者来说，性能最优良的、最可靠的还是微机械剥离技术制备的石墨烯。

目前广泛采用的微机械剥离就是利用高定向热解石墨（HOPG）的层间作用力较小的特性，使用胶带反复撕裂，最终获得小片石墨烯的技术。一般采用这种方法获得的石墨烯基本保持完美晶格，在自支撑的情况下，实验测得其载流子迁移率接近10⁵cm²V^-1s^-1。遗憾的是，这种方法获得的石墨烯面积往往不超过100μm²。而且，由于手工撕裂胶带施力不均，对所得石墨烯的面积大小无法进行有效控制，并且，由于使用胶带剥离，会不可避免地在石墨烯表面留下残胶，影响石墨烯材料的洁净度，增加后续工序的复杂性，降低石墨烯器件的可靠性。因此，必须研究高效制备高质量石墨烯的新技术，推动石墨烯的基础研究和应用研究。

发明内容

本发明提供了一种超声波辅助剥离石墨烯的方法，旨在解决目前广泛采用的获得小片石墨烯的微机械剥离方法，所获得的石墨烯面积往往不超过100μm²，由于手工撕裂胶带施力不均，对所得石墨烯的面积大小无法进行有效控制，并且由于使用胶带剥离，会不可避免地在石墨烯表面留下残胶，影响石墨烯材料的洁净度，增加后续工序复杂性，降低石墨烯器件可靠性的问题。

本发明的目的在于提供一种超声波辅助剥离石墨烯的方法，该方法将高定向热解石墨固定在上下两个基片之间，利用超声波对石墨烯进行横向振动，使石墨层间通过范德瓦尔斯力形成的键断裂，分离出石墨烯。

进一步，该方法通过调节超声波的功率、振动时间及温度提高石墨烯的剥离效率和产品质量。

进一步，该方法的具体实现步骤为：

步骤一，将高定向热解石墨（HOPG）用双面胶带固定在上下两个基片之间；

步骤二，将固定的高定向热解石墨（HOPG）放入超声波发生器，浸于去离子水中；

步骤三，启动超声波发生器，进行横向振动；

步骤四，将高定向热解石墨（HOPG）与上基片分离，并用双面胶带固定在新的上基片之下；

步骤五，重复以上过程5~10次，直至得到石墨烯；

步骤六，用分析纯的丙酮去除石墨烯表面残余胶带成分。

进一步，在步骤二中，将固定的高定向热解石墨（HOPG）放入超声波发生器，浸于去离子水中时，调节超声波的功率0.1~2×10⁵J、时间1~50min、温度10~40℃。

进一步，该方法所获得的高定向热解石墨（HOPG）自下而上依次为下基片、双面胶带、HOPG、双面胶带、上基片。