CN102206867A - 一种石墨烯单晶片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的石墨烯单晶片的制备方法，采用的是等离子体刻蚀方法，将厚度均匀的纯石墨放入等离子体发生器的反应室，反应室抽真空，通入氩气、氧气或氮气作为刻蚀气体，利用射频源使刻蚀气体电离成为等离子体，轰击石墨表面，使石墨厚度在5纳米以下，得到石墨烯单晶片。本发明方法工艺简单、可控性强、可以制备大面积、高晶体学质量的石墨烯，适应工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯单晶片的制备方法，尤其是适用于大面积、高晶体学质量的石墨烯单晶片的制备方法。
背景技术
石墨烯是单原子层碳薄膜，具有一系列突出的电学、力学和光学性能。石墨烯的电子迁移率比传统的半导体材料都要高，而且可以在一个碳环结构中传导电子，很有可能取代硅等半导体成为下一代光电材料。除了石墨烯中载流子的巨大迁移率，石墨烯也具有室温霍尔效应， Klein遂穿现象等奇特性能。2004年，英国曼切斯特大学Andre Geim教授领导的课题组制备了单原子层的二维石墨烯晶体并系统表征了它的输运性能。Andre Geim和Konstantin Novoselove 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。石墨烯的结构简单而完美，是由碳碳共价键构成的蜂窝结构。C的s轨道电子和两个面内的p轨道电子以共价键形式紧紧相连，这些电子对电导没有贡献，而剩下的一个p轨道电子垂直于石墨烯二维平面，这些p电子交互形成价带和导带。晶格中分A位和B位，电子在这两个晶格位之间的跳动可以用自旋上下两个状态来比拟。不同于一般材料，石墨烯中的电子和空穴不能用独立的薛定谔方程来描述，相反，由于蜂窝结构电子和空穴之间存在电荷宇称联合对称性，这导致电子和空穴有着始终相反的手性，这与量子电动力学中的自旋量子数很相似。因此石墨烯中的电子应该用相对论和量子力学共同描述，遵从狄拉克方程。石墨烯是世界上首类用Dirac方程，而不是薛定谔方程描述的固体物质。
悬空的石墨烯中的载流子迁移率可以达到200000 cm2/Vs，石墨烯基晶体管的截止频率理论上可以达到THz，这在高速电子器件应用方面有着重要而广阔的前景，并有可能实现石墨化的微型处理器。IBM公司已经在大片硅衬底上实现了截止频率为100GHz的高速晶体管。而且石墨烯基电子器件理论上可以达到单个石墨环的尺度，Geim课题组已经在实验上论证了石墨烯量子点基场效应晶体管的可行性。IBM，Intel和Sumsung等国际大公司已经投入大量资金和人力开发石墨烯基电子产品。所有这些研发和器件都需要高质量的石墨烯。
目前国际上普遍采用胶带剥离方法直接制备单层或多层高质量石墨烯，但是重复性很差，而且制备的石墨烯面积大部分都在10μm×10μm以下。另外采用化学气相沉积方法制备的石墨烯是多晶结构，载流子迁移率不高，晶体学质量较差。目前缺乏一种可工业化，高重复率制备高质量的石墨烯单晶片的方法。
发明内容
本发明的目的是克服目前石墨烯制备方法所存在的不足，提供一种重复性好、适应工业化的石墨烯单晶片的制备方法。
本发明的石墨烯单晶片的制备方法，采用的是等离子体刻蚀方法，其步骤如下：
将厚度均匀的纯石墨放入等离子体发生器的反应室，反应室真空度抽到500Pa以下，通入氩气、氧气或氮气作为刻蚀气体，控制刻蚀气体流量0.001～10000 ml/min，利用射频源使刻蚀气体电离成为等离子体，轰击石墨表面，使石墨厚度在5纳米以下，得到石墨烯单晶片。
上述的厚度均匀的石墨可以为市售产品，或者是用胶带反复剥离使得石墨厚度均匀。纯石墨的纯度为95％以上。
本发明得到石墨烯单晶片为单层或为十层以下的多层。石墨烯单晶片的层数由刻蚀时间和刻蚀速度来控制。
本发明的优点：
本发明方法工艺简单、可控性强、可以制备大面积、高晶体学质量的石墨烯，适应工业化生产。
附图说明
图1是等离子体刻蚀石墨不同时间段的光学显微镜照片。图中（a）为经过胶带剥离的石墨，（b）为石墨刻蚀300秒后的产物 ，（c）为刻蚀600秒后的产物； （d）为刻蚀918秒后的石墨烯。
图2是图1(d)中石墨烯的拉曼图谱。
图3是图1(d)中石墨烯的原子力显微镜高度测试图。
图4是等离子体刻蚀方法制备的单原子层石墨烯样品的显微镜图片。
图5是图4的单原子层石墨烯样品的拉曼图谱。
具体实施方式
以下结合具体实例进一步说明本发明。
实施例1
1)取纯度为98%的1000 μm×1000 μm石墨，使用胶带将其剥离到厚度均匀，厚度为460纳米。
2)将剥离后的石墨放入等离子体发生器的反应室，反应室真空度抽到10 Pa，通入氧气，控制氧气流量100 ml/min，利用射频源使氧气电离成为等离子体，轰击石墨表面，刻蚀石墨，刻蚀的速度为0.5 nm/s, 刻蚀的时间为918秒，刻蚀后石墨的厚度为1 纳米，得到双层石墨烯单晶片。
图1显示了石墨被刻蚀的整个过程，(a)、(b)、(c)、(d)是刻蚀0秒、300秒、600秒、918秒后的光学显微照片。由光学显微照片可以看出，石墨在刻蚀的过程中衬度逐渐减小，表明石墨的厚度逐渐减小。
图2是刻蚀918秒后石墨的拉曼图谱，拉曼图谱显示了较明显的的2D峰和G峰（1580 cm-1），表明制备的石墨烯具有较高的晶体学质量。2700 cm-1附近的2D 峰要比G峰弱，表明制备的石墨烯还是双层。
图3是刻蚀获得的石墨烯原子力显微镜边缘厚度测试曲线，表明制备的石墨烯厚度为1纳米，为2个单原子层厚度，是双层石墨烯结构。结合图2，表明等离子体刻蚀的方法可以制备大面积的双层石墨烯。
实施例2
1)取纯度为99%的大尺寸石墨（5000 μm×5000 μm），使用胶带将其剥离到厚度均匀，厚度为2微米。
2)将剥离后的石墨放入等离子体发生器的反应室，反应室真空度抽到50 Pa，通入氮气，控制氮气流量10000 ml/min，利用射频源使氮气电离成为等离子体，轰击石墨表面，刻蚀石墨，刻蚀的速度为0.5 nm/s, 刻蚀的时间为3999秒，刻蚀后石墨的厚度为0.5 纳米，得到单层石墨烯单晶片。
图4显示了石墨被刻蚀后得到的单原子层石墨烯的光学显微镜照片。
图5是刻蚀得到的石墨烯的拉曼图谱，拉曼图谱显示了较明显的的2D峰和G峰（1580 cm-1），表明制备的石墨烯具有较高的晶体学质量。拉曼图谱显示2700 cm-1附近的2D 峰要比G峰强，表明制备的石墨烯达到了单个原子层的厚度。结合图4的光学显微镜照片，表明等离子体刻蚀方法可以获得大面积具有高晶体学质量的单原子层石墨烯。
Claims (4)
1.一种石墨烯单晶片的制备方法，其特征是步骤如下：
将厚度均匀的纯石墨放入等离子体发生器的反应室，反应室真空度抽到500Pa以下，通入氩气、氧气或氮气作为刻蚀气体，控制刻蚀气体流量0.001～10000 ml/min，利用射频源使刻蚀气体电离成为等离子体，轰击石墨表面，使石墨厚度在5纳米以下，得到石墨烯单晶片。
2.根据权利要求1所述的高质量石墨烯的制备方法，其特征是厚度均匀的石墨为市售产品，或者是用胶带反复剥离使得石墨厚度均匀。
3.根据权利要求1所述的高质量石墨烯的制备方法，其特征是得到石墨烯单晶片为单层或为十层以下的多层。
4.根据权利要求1所述的高质量石墨烯的制备方法，其特征是纯石墨的纯度为95％以上。
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