CN103130215B - 一种硅面SiC外延石墨烯液相氟插层方法 - Google Patents

Abstract

一种硅面SiC外延石墨烯液相氟插层方法，可实现去除衬底耦合效应的目的。包括：（1）对硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯待插层样品进行清洁处理；（2）按照1∶1的体积比配制氢氟酸和浓硝酸的混合酸溶液，并将待插层样品浸泡于混合酸溶液中；（3）向混合酸溶液中加入金属钼块，使得所述混合酸溶液与金属钼发生剧烈反应；（4）待步骤3所述过程持续10～20小时后，将样品取出，清洁、烘干后得插层处理后的硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯样品。插层后氟将界面缓冲层之间的键打断并将悬挂件饱和，同时部分缓冲层被转化为石墨烯。本发明具有简单，对设备要求低等优点，在工业生产领域有着较大的应用潜力。

Description

一种硅面SiC外延石墨烯液相氟插层方法

技术领域

本发明涉及了一种硅面SiC上石墨烯插层的方法，特别是一种简便的，液相的对硅面SiC上石墨烯插层的从而去除衬底耦合效应的方法。

背景技术

石墨烯是一种六方蜂窝状单层碳原子结构的材料，有着众多优良的电学性质。尤其是其具有最高的迁移率（200000cm²/V·s），及双极性场效应，使其在微电子领域有着巨大的引用潜力，在微纳电子领域，极有可能成为Si材料的的替代品。而在机械剥离法、化学气相沉积、氧化还原法等众多制备石墨烯的方法中，由于热解SiC法制备外延石墨烯的制备工艺与硅平面工艺兼容及其外延生长的特性，使得热解SiC法成为最适于微电子领域的石墨烯制备方法。采用热解法在碳面SiC上生长外延石墨烯可以获得迁移率较高的外延石墨烯，但是通常其厚度都在五层以上，因而如果制成场效应晶体管其场效应很微弱。在硅面SiC上生长外延石墨烯虽然可以把石墨烯的厚度控制在1～2层。但是由于生长机制的原因，热解SiC过程中会在SiC衬底及外延石墨烯的界面形成一层碳原子重构层（又称缓冲层），缓冲层的存在会劣化上层外延石墨烯的电输运性质，最直接表现为电子子浓度的增大和迁移率的大幅下降。这严重的制约了硅面SiC上生长的外延石墨烯的应用。

目前，去除缓冲层对上层石墨烯影响的方法主要是通过插层工艺，达到去除衬底和石墨烯的耦合效应的目的。常见的插层主要分为氢、氧和氟等气相插层方法，或者金、硅和钠等固相插层方法。这些插层方法虽然有有效的部分去除缓冲层对石墨烯的影响，但是这些方法对设备要求非常高，需要超高真空环境、原子气源或者精确控制金属的生长厚度。而本发明提出一种简单有效的，液相的氟插层方法，可以实现对硅面SiC衬底上石墨烯插层去耦合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便的对硅面上生长的外延石墨烯的液相氟插层方法，能够打断缓冲层碳原子重构层）和SiC之间的共价键，并插入氟，去除硅面SiC衬底和外延石墨烯的耦合效应。

本发明技术方案如下：

一种硅面SiC外延石墨烯液相氟插层方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：对硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯待插层样品进行清洁处理，以去除所述待插层样品表面的污染物。具体清洁方法可顺序采用丙酮、无水乙醇洗净所述待插层样品后用去离子水冲洗，随后用氮气吹干。

步骤2：配制氢氟酸和浓硝酸的混合酸溶液。采用质量浓度为47%～51%的氢氟酸和质量浓度为65%的浓硝酸按照1∶1的体积比配制氢氟酸和浓硝酸的混合酸溶液。

步骤3：经步骤1处理后的待插层样品室温下浸泡于步骤2所配制的混合酸溶液中，并在通风良好的环境下投入金属钼，使得所述混合酸溶液与金属钼发生剧烈反应，并生成大量NO₂气体。

步骤4：待步骤3所述过程持续10～20小时后，将硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯样品取出，清洁（以去除样品表面的残留物）、烘干后得插层处理后的硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯样品。步骤4中所述清洁处理过程与步骤1相同，而烘干温度为80～100℃，烘干时间为5～10分钟。

本发明提供了一种对设备要求较低，反应交易控制的液相插层方法，对硅面SiC表面生长的外延石墨烯进行插层处理，利用氢氟酸和浓硝酸的混合酸溶液与金属钼反应产生的氟钼酸类化合物与SiC表面与石墨烯之间的缓冲层进行反应，最终氟离子打断缓冲层与SiC衬底的共价键，并饱和SiC衬底表面的Si悬挂键，形成氟插层结构，并使得部分缓冲层转化成石墨烯，从而达到最终消除SiC衬底与石墨烯之间的耦合效应。整个插层处理过程简单、易控，成本低廉，能够满足大批量工业生产需求。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为生长在硅面SiC衬底上外延石墨烯的结构示意图。其中1为硅面SiC衬底，2为悬挂建，3为缓冲层与SiC衬底的共价键，4为缓冲层，5为外延石墨烯。

图3为插层处理后硅面SiC衬底上外延石墨烯的结构示意图。其中1为硅面SiC衬底，5为外延石墨烯，6为插层氟与SiC衬底的共价键，7为插层氟，8为转换成石墨烯的缓冲层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

将5×5mm的硅面SiC衬底1先后用丙酮、异丙醇、氢氟酸溶液清洗，并用去离子水冲洗后用氮气枪吹干。将洗净的衬底1放入热裂解SiC制备石墨烯系统中，待真空度达到1×10^-5Pa后通入0.7～0.9个大气压的高纯氢气。在1530～1570℃下保温12分钟以上，然后在氢气保护下自然降温到室温后排除氢气。硅面SiC衬底在0.7～0.9个大气压的氢气气氛和1530～1570℃的高温下，表面碳原子与氢气发生反应生成烷类气体，使得硅原子充分暴露并形成规则的硅原子台阶形貌。然后待热裂解SiC制备石墨烯系统真空度再次低于5×10^-5Pa时，通入0.7～0.9个大气压的氩气，然后在1520～1550℃下保温15～20分钟，然后在氩气保护下自然降温到室温。硅面SiC衬底经表面处理后，氩气保护下在1520～1550℃的温度范围内发生热裂解反应，首先在硅面SiC衬底表面形成界面碳缓冲层4，然后在界面碳缓冲层4表面形成石墨烯层5。此时石墨烯具有图2所示结构，在外延石墨烯5与硅面SiC衬底1之间存在着缓冲层结构4，缓冲层的一部分与SiC衬底形成共价键3，衬底上没有与缓冲层成键的硅原子存在悬挂键2。此时，XPS图谱显示石墨烯厚度为1.8层，并且存在代表缓冲层的位于285.6eV的S₁峰（缓冲层中与衬底成键的部分）和位于284.8eV的S₂峰（缓冲层中没有与衬底成键的部分），Raman光谱显示其2D峰位于2709cm^-1，半高宽为47.85cm^-1。

将上述硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯待插层样品首先进行清洁处理，以去除所述待插层样品表面的污染物；然后浸泡于质量浓度为47%～51%的氢氟酸和质量浓度为65%的浓硝酸按照1∶1的体积比配制的混合酸溶液中，并投入金属钼，持续反应10～20小时后，将硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯样品取出，清洁（以去除样品表面的残留物）、烘干后得插层处理后的硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯样品。插层处理后的硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯样品经XPS显示石墨烯厚度增加为2.5层，在686.4eV处出现F1s峰，同时位于285.6eV的S₁峰（缓冲层中与衬底成键的部分）基本消失，而Raman光谱显示其2D峰向低波数方向移动到2704cm^-1，半高宽变为39.00cm^-1。这证明缓冲层与SiC衬底形成共价键3被氟打断，并且被氟7饱和，应力得以释放。此时实现了氟插层去除了外延石墨烯和SiC衬底之间的耦合作用，部分缓冲层已经被转化成石墨烯。

Claims (3)

1.一种硅面SiC外延石墨烯液相氟插层方法，包括以下步骤：

步骤1：对硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯待插层样品进行清洁处理，以去除所述待插层样品表面的污染物；

步骤2：配制氢氟酸和浓硝酸的混合酸溶液；采用质量浓度为47%～51%的氢氟酸和质量浓度为65%的浓硝酸按照1∶1的体积比配制氢氟酸和浓硝酸的混合酸溶液；

步骤3：经步骤1处理后的待插层样品室温下浸泡于步骤2所配制的混合酸溶液中，并在通风良好的环境下投入金属钼，使得所述混合酸溶液与金属钼发生剧烈反应，并生成大量NO₂气体；

步骤4：待步骤3所述过程持续10～20小时后，将硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯样品取出，清洁、烘干后得插层处理后的硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯样品。

2.根据权利要求1所述的硅面SiC外延石墨烯液相氟插层方法，其特征在于，步骤1对硅面SiC衬底上生长的外延石墨烯待插层样品进行清洁处理的具体清洁方法为顺序采用丙酮、无水乙醇洗净所述待插层样品后用去离子水冲洗，随后用氮气吹干。

3.根据权利要求1所述的硅面SiC外延石墨烯液相氟插层方法，其特征在于，步骤4中所述清洁处理过程与步骤1相同，而烘干温度为80～100℃，烘干时间为5～10分钟。