CN102701144A - 一种刻蚀多层石墨烯的方法 - Google Patents

一种刻蚀多层石墨烯的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102701144A
CN102701144A CN2012102138197A CN201210213819A CN102701144A CN 102701144 A CN102701144 A CN 102701144A CN 2012102138197 A CN2012102138197 A CN 2012102138197A CN 201210213819 A CN201210213819 A CN 201210213819A CN 102701144 A CN102701144 A CN 102701144A
Authority
CN
China
Prior art keywords
etching
graphene
layer graphene
atmosphere
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2012102138197A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102701144B (zh
Inventor
魏子钧
叶天扬
胡保东
傅云义
黄如
张兴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN201210213819.7A priority Critical patent/CN102701144B/zh
Publication of CN102701144A publication Critical patent/CN102701144A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102701144B publication Critical patent/CN102701144B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种刻蚀多层石墨烯的方法，可用于实现多层石墨烯中不同层内同步刻蚀。本发明利用金属纳米颗粒对石墨烯的催化刻蚀作用来实现多层石墨烯的同步刻蚀，对不同层石墨烯进行刻蚀，且各层的刻蚀图形互不影响，并可以对多层石墨烯中的若干层进行选择性地刻蚀。刻蚀形成原子尺度光滑平整、手性一致的石墨烯边缘。

Description

一种刻蚀多层石墨烯的方法
技术领域
本发明提出了一种同步刻蚀多层石墨烯的方法，可用于实现多层石墨烯中不同层内同步刻蚀，且互不影响，在物理学、材料学和微纳电子学领域有重要的应用价值。
背景技术
当前，石墨烯作为一种新型材料，在各学科和技术领域被广泛研究。这种能够在大气环境下稳定存在的二维材料只有单原子层厚度，是迄今为止发现的最薄的材料，且特殊的晶体结构使其具备的优异的电学特性，如：极高的载流子迁移率、较高的电流承载密度等，这些都引起了科学界和技术界的浓厚兴趣。
石墨烯作为一种由正六边形碳环构成的无限延伸晶体，图形化是将其运用于微纳电子器件和集成电路的关键技术。石墨烯是一种零带隙的半金属，利用图形化技术将石墨烯刻蚀成为纳米宽度的石墨烯纳米带可打开石墨烯带隙。通过图形化技术，还可将石墨烯加工成各种有源、无源器件和一些具有特定功能的微结构。目前，石墨烯的图形化技术有多种，比如氧等离子体刻蚀、导电AFM刻蚀等等。然而，现有的刻蚀技术刻蚀出的石墨烯边缘不平整，边缘缺陷对材料性能影响很大。对于多层石墨烯的刻蚀，利用已有技术时只都将多层石墨烯晶体进行平面加工，无法对多层石墨烯的各层进行同步、独立地刻蚀，而且不同层内的刻蚀互不影响，无法在不破坏其它层的情况下，选择性地对多层石墨烯中的某一层或若干层进行刻蚀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步刻蚀多层石墨烯的方法。
本发明可通过如下技术方案来实现：
一种刻蚀多层石墨烯的方法，其步骤包括：
1．在衬底上制备多层石墨烯，对多层石墨烯的层数、形状、尺寸等没有特殊的限制。
石墨烯的来源可以多样化，可由机械剥离、化学气相沉积(CVD)生长、氧化石墨还原等方法制备，或者直接使用高取向石墨。衬底需选择在700℃~1100℃高温下稳定，且不会与石墨烯发生反应的材料，如：SiO2/Si、BN、石英、云母、蓝宝石、氧化石墨等。
2．在多层石墨烯表面形成台阶，如图1所示，其中台阶的高度(h)为1nm~300nm，台阶之间的距离(l)≥10nm。
在多层石墨烯表面形成台阶，其方法有：(1)直接在石墨烯制备过程形成台阶，即“本征”台阶；(2)利用等离子体刻蚀多层石墨烯表面形成台阶。该方法的工艺步骤如下：
（1）选择合适的本征多层石墨烯样品，利用电子束曝光露出待刻蚀的区域，如图2（a）所示；
（2）以光刻胶为掩膜，利用等离子体刻蚀石墨烯，通过控制刻蚀功率、时间、气体流量等工艺参数(各参数范围待确定)，刻蚀出高度为h1的台阶，如图2（b）所示；
（3）重复上述（1）（2）工艺，如图2（c）~（d）所示，即可在多层石墨烯表面形成多个石墨烯台阶。
3．在石墨烯台阶处淀积金属催化剂，催化剂为直径为1nm~300nm的金属纳米颗粒。
可作催化剂的金属可选择Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Zn等，淀积金属纳米颗粒可采用以下不同的方法实现：
（1）在石墨烯表面物理气相淀积(PVD)厚度为0.5nm~100nm的金属，经过退火处理；
（2）在石墨烯表面旋涂由金属离子与可挥发性酸根离子形成的盐溶液（如NiCl2、FeCl2、FeCl3、ZnCl2、CuCl2、Zn(NO3)2、Cu(NO3)2、Fe(NO3)2、Fe(NO3)3等），再经过退火处理。
上述两种途径中的退火处理，均是在150℃~500℃下保温5min~30min后自然冷却，退火过程在Ar/H2氛围下进行，其中Ar和H2流量分别在100sccm~500sccm和5sccm~50sccm范围内。
4．将样品高温退火，实现多层石墨烯的同步刻蚀。
将样品在Ar/H2氛围下退火。匀速升温，升温时间没有限定，保温温度在600℃~1100℃范围内，保温时间为30min~3h之间，自然冷却至室温后取出。升温、保温和降温过程中要保持Ar/H2氛围不变，Ar/H2的流量分别在100sccm~500sccm和10sccm~50sccm范围内，根据具体的实验安全规范可适当调整氢气流量。
本发明具有如下技术效果：
本发明利用金属纳米颗粒对石墨烯的催化刻蚀作用来实现多层石墨烯的同步刻蚀，对多层石墨烯或石墨晶体，可同时对不同层石墨烯进行刻蚀，且各层的刻蚀图形互不影响，也可以对多层石墨烯中的若干层进行选择性地刻蚀。刻蚀形成原子尺度光滑平整、手性一致的石墨烯边缘。
附图说明
图1为本发明多层石墨烯表面台阶的示意图，图中1—多层石墨烯；2—衬底；
图2为在多层石墨烯表面刻蚀台阶的工艺流程图，图中1-多层石墨烯；2-衬底；3-光刻胶；
图3为本发明同步刻蚀形成石墨烯沟槽的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下边结合图示说明本发明的具体实施例，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
（1）利用机械剥离的方法，用天然石墨片，在300nm-SiO2/p-Si衬底上制备石墨烯，选择一块在制备过程直接形成的表面具有“本征”台阶的多层石墨烯作为实验对象。
（2）在样品表面均匀热蒸镀50nm Ni，在Ar/H2（100sccm/10sccm）氛围下400℃退火20min，在石墨烯台阶处形成直径约为30nm~80nm的Ni颗粒；
（3）将样品放入高温管式炉在Ar/H2（150sccm/30sccm）氛围下退火，保温温度在600℃，保温时间2h，并保持Ar/H2氛围不变直到降到室温后将样品取出；
（4）用扫描电子显微镜观察，在多层石墨烯表面的台阶区域，可观察到在不同层内、沿着不同方向同步刻蚀的石墨烯沟槽(如图3所示)。
实施例2
（1）利用机械剥离的方法，用高取向石墨，在100nm-SiO2/p-Si衬底上制备石墨烯。
（2）按照微纳加工技术形成台阶的工艺步骤，通过电子束曝光和氧等离子体刻蚀形成一个台阶，再重复曝光和刻蚀过程两次，即可在多层石墨烯表面制备出三个高度均为100nm石墨烯台阶，各台阶之间的距离为1μm。
（3）在样品表面旋涂10mL浓度为30mg/L的FeCl3溶液，旋涂速度为2000rpm，旋涂时间为1min，然后在Ar/H2（120sccm/15sccm）氛围下300℃退火30min，在石墨烯台阶处形成直径约为20nm~50nm的Fe颗粒；
（4）将样品放入高温管式炉进行Ar/H2氛围退火。Ar/H2流量分别为200sccm和20sccm，通气10min后开始升温，升温至900℃后保温2h，继续按上述流量通入Ar和H2，直至管式炉内温度冷却至室温。
（5）用扫描电子显微镜观察，可观察到在多层石墨烯的各层内沿不同取向同步刻蚀的沟槽。
实施例3
（1）在Ni上CVD生长多层石墨烯，转移至100nm-SiO2/p-Si衬底上。
（2）按照微纳加工技术形成台阶的工艺步骤，通过电子束曝光和氧等离子体刻蚀形成一个台阶，再重复曝光和刻蚀过程三次，在多层石墨烯表面制备出四个高度均为80nm石墨烯台阶，各台阶之间的距离为1.5μm。
（3）利用电子束曝光和电子束蒸发，在步骤（2）中形成的台阶处蒸镀5nm Co，经过在Ar/H2（150sccm/10sccm）氛围下350℃退火25min，在石墨烯台阶处形成直径约为10nm~30nmCo颗粒。
（4）将样品放入高温管式炉在Ar/H2（120sccm/30sccm）氛围下退火，保温温度在1100℃，保温时间2.5h，并保持氛围不变直到降到室温后将样品取出。
（5）用扫描电子显微镜，可观察到在多层石墨烯的各层内沿不同取向同步、独立刻蚀的沟槽。

Claims (6)

1.一种刻蚀多层石墨烯的方法，其步骤包括：
1)在衬底上制备多层石墨烯；
2)在多层石墨烯表面上形成台阶，其中台阶的高度为1nm~300nm，台阶之间的距离≥10nm；
3)在石墨烯台阶处淀积直径为1nm~300nm的金属纳米颗粒；
4)在Ar/H2氛围下退火，具体包括：匀速升温，保温温度在600℃~1100℃范围内，保温时间为30min~3h之间，自然冷却至室温，升温、保温和降温过程中要保持Ar/H2氛围不变，Ar/H2的流量分别在100sccm~500sccm和10sccm~50sccm范围内，从而实现多层石墨烯的同步刻蚀。
2.如权利要求1所述的刻蚀多层石墨烯的方法，其特征在于，步骤1)中制备石墨烯的方法是机械剥离、化学气相沉积(CVD)生长或氧化石墨还原方法，或者直接使用高取向石墨。
3.如权利要求1所述的刻蚀多层石墨烯的方法，其特征在于，步骤2)利用等离子体刻蚀多层石墨烯表面形成台阶。
4.如权利要求1所述的刻蚀多层石墨烯的方法，其特征在于，步骤3)中所述金属纳米颗粒为Fe、Co、Ni、Cu、Ag或Zn。
5.如权利要求1所述的刻蚀多层石墨烯的方法，其特征在于，步骤3)中在石墨烯表面物理气相淀积厚度为0.5nm~100nm的金属，经过150℃~500℃下退火处理5min~30min后自然冷却，形成金属纳米颗粒，其中，退火过程在Ar/H2氛围下进行，其中Ar和H2流量分别在100sccm~500sccm和5sccm~50sccm范围内。
6.如权利要求1所述的刻蚀多层石墨烯的方法，其特征在于，步骤3)中在石墨烯表面旋涂由金属离子与可挥发性酸根离子形成的盐溶液，经过150℃~500℃下退火处理5min~30min后自然冷却，形成金属纳米颗粒，其中，退火过程在Ar/H2氛围下进行，其中Ar和H2流量分别在100sccm~500sccm和5sccm~50sccm范围内。
CN201210213819.7A 2012-06-25 2012-06-25 一种刻蚀多层石墨烯的方法 Expired - Fee Related CN102701144B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210213819.7A CN102701144B (zh) 2012-06-25 2012-06-25 一种刻蚀多层石墨烯的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210213819.7A CN102701144B (zh) 2012-06-25 2012-06-25 一种刻蚀多层石墨烯的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102701144A true CN102701144A (zh) 2012-10-03
CN102701144B CN102701144B (zh) 2015-04-15

Family

ID=46894285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210213819.7A Expired - Fee Related CN102701144B (zh) 2012-06-25 2012-06-25 一种刻蚀多层石墨烯的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102701144B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104805419A (zh) * 2014-01-23 2015-07-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种cvd石墨烯薄膜区域择优选取的方法
CN105399049A (zh) * 2015-12-03 2016-03-16 中山大学 一种二维原子材料的微纳结构及图形化制备方法
CN105948032A (zh) * 2016-07-04 2016-09-21 烟台市烯能新材料股份有限公司 一种刻蚀多层石墨烯的方法
CN106128947A (zh) * 2016-07-04 2016-11-16 烟台市烯能新材料股份有限公司 一种多层石墨烯的刻蚀方法
CN107546114A (zh) * 2017-09-07 2018-01-05 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种SiC高压功率器件结终端的制备方法
CN114703565A (zh) * 2022-04-21 2022-07-05 常州富烯科技股份有限公司 石墨烯纤维、石墨烯纤维增强导热垫片、制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110059599A1 (en) * 2009-09-10 2011-03-10 Lockheed Martin Corporation Graphene Nanoelectric Device Fabrication
CN101996853A (zh) * 2009-08-19 2011-03-30 中国科学院物理研究所 一种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法
CN102336588A (zh) * 2011-07-22 2012-02-01 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种具有单原子层台阶的六角氮化硼基底及其制备方法与应用
CN102344132A (zh) * 2011-07-08 2012-02-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种逐层减薄石墨烯的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101996853A (zh) * 2009-08-19 2011-03-30 中国科学院物理研究所 一种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法
US20110059599A1 (en) * 2009-09-10 2011-03-10 Lockheed Martin Corporation Graphene Nanoelectric Device Fabrication
CN102344132A (zh) * 2011-07-08 2012-02-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种逐层减薄石墨烯的方法
CN102336588A (zh) * 2011-07-22 2012-02-01 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种具有单原子层台阶的六角氮化硼基底及其制备方法与应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIJIE CI, ET AL.: "Controlled Nanocutting of Graphene", 《NANO RESEARCH》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104805419A (zh) * 2014-01-23 2015-07-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种cvd石墨烯薄膜区域择优选取的方法
CN105399049A (zh) * 2015-12-03 2016-03-16 中山大学 一种二维原子材料的微纳结构及图形化制备方法
CN105399049B (zh) * 2015-12-03 2017-05-03 中山大学 一种二维原子材料的微纳结构及图形化制备方法
CN105948032A (zh) * 2016-07-04 2016-09-21 烟台市烯能新材料股份有限公司 一种刻蚀多层石墨烯的方法
CN106128947A (zh) * 2016-07-04 2016-11-16 烟台市烯能新材料股份有限公司 一种多层石墨烯的刻蚀方法
CN106128947B (zh) * 2016-07-04 2019-01-29 山东赛帝格新材料有限责任公司 一种多层石墨烯的刻蚀方法
CN107546114A (zh) * 2017-09-07 2018-01-05 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种SiC高压功率器件结终端的制备方法
CN107546114B (zh) * 2017-09-07 2020-01-03 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种SiC高压功率器件结终端的制备方法
CN114703565A (zh) * 2022-04-21 2022-07-05 常州富烯科技股份有限公司 石墨烯纤维、石墨烯纤维增强导热垫片、制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102701144B (zh) 2015-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102701144B (zh) 一种刻蚀多层石墨烯的方法
Lin et al. Surface engineering of copper foils for growing centimeter-sized single-crystalline graphene
JP2019125793A (ja) 基板上の窒化ホウ素およびグラフェンの直接および連続形成
Sun et al. Direct chemical vapor deposition growth of graphene on insulating substrates
Yang et al. A facile method to observe graphene growth on copper foil
CN104099577B (zh) 一种石墨烯的制备方法
CN103741224B (zh) 高纯度高密度ws2层片状纳米结构的制备方法
CN102933491A (zh) 石墨烯的生产方法
TWI526559B (zh) 藉由物理氣相沉積法在基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的方法
CN103718296A (zh) 石墨烯纳米网的制造方法和半导体装置的制造方法
CN108069416A (zh) 超洁净石墨烯及其制备方法
Iqbal et al. Modification of the structural and electrical properties of graphene layers by Pt adsorbates
Zhao et al. Electrical transport properties of graphene nanowalls grown at low temperature using plasma enhanced chemical vapor deposition
Ning et al. Review on mechanism of directly fabricating wafer-scale graphene on dielectric substrates by chemical vapor deposition
CN102701196B (zh) 一种石墨烯纳米带的制备方法
Nagelli et al. Sensor arrays from multicomponent micropatterned nanoparticles and graphene
Murata et al. Multilayer graphene on insulator formed by Co-induced layer exchange
Liu et al. Precise synthesis of graphene by chemical vapor deposition
Ruffino et al. Dewetting of template-confined Au films on SiC surface: From patterned films to patterned arrays of nanoparticles
CN104485310B (zh) 一种形成石墨烯互连线的方法
Shin et al. Study of selective graphene growth on non-catalytic hetero-substrates
Han et al. Continuous orientated growth of scaled single-crystal 2D monolayer films
CN102689897B (zh) 一种原子尺度石墨烯沟槽的制备方法
Ruffino et al. Formation of patterned arrays of Au nanoparticles on SiC surface by template confined dewetting of normal and oblique deposited nanoscale films
JP6175948B2 (ja) グラフェンの製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150415

Termination date: 20210625