CN103204498B - 一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法，属于材料技术领域。本发明在氩气辅助热裂解碳化硅制备外延石墨烯方法的基础上进行改进，在氩气辅助下热裂解碳化硅制备外延石墨烯过程中，通过增加一个若干气孔（5）的石墨罩（4）罩将碳化硅衬底（1）罩在电感应加热石墨舟内，从而减小了气流和温度的扰动，从而能够获得更大晶畴面积的石墨烯；气孔（5）的存在，一方面不影响Si的升华，同时可适当控制Si的升华速率从而适当降低石墨烯的生长速率，从而更好地控制石墨烯的生长厚度。若气孔（5）孔径一致且分布均匀，所制备的石墨烯均一性和电子迁移率可大幅度提高。

Description

一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法，特别是一种气流、温度微小扰动热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法
背景技术
热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法最早是由乔治亚理工学院(Georgia Institute ofTechnology)的Walter de Heer教授所领导的研究小组所提出的，其原理是在超高真空环境下采用感应加热的装置将石墨感应加热舟加热到1400℃，使位于石墨舟内的碳化硅衬底表面的Si原子升华，而碳化硅表面富集的C原子则发生重构而形成六方蜂窝状结构的石墨烯。此方法的缺点在于在超高真空的环境下，Si原子在较低的温度下就会发生升华，而且其升华速率随着石墨化温度的升高将会急剧上升，这导致了石墨烯在较低的温度下(1400℃左右)就已经开始生长。然而在较低的温度下生长时，虽然可以获得单层或双层的石墨烯，但低温生长将严重影响石墨烯的结晶质量；而当石墨化温度提高时，虽然石墨烯的结晶质量在一定程度上得到提高，但高温时Si原子升华速率会急剧上升从而使得石墨烯的厚度大幅增加，进而无法获得单层或双层的石墨烯。此外，为了防止热裂解过程中碳化硅及石墨烯被氧化，设备在高温下仍然需要保持超高真空环境，这也大大增加了外延设备的生产难度和制造成本。
针对上述超高真空环境中热裂解碳化硅制备外延石墨烯的一系列缺陷，德国爱尔兰根-纽伦堡大学(Friedrich-Alexander-Erlangen-Nürnberg)的Thomas Seyller教授所领导的研究小组提出了氩气辅助下的热裂解碳化硅制备石墨烯的方法，该方法的主要思路是：通过引入氩气，使腔体内的压强达到约一个大气压，而较高的气压会抑制Si原子的升华，从而减缓石墨烯生长速度和提高石墨烯的生长温度，另一方面氩气的保护也降低了对设备真空度的要求。但是氩气的引入是一把双刃剑，它一方面虽然可以减缓石墨烯的生长速度，但同时在热解过程中将引入气流及温度的扰动，这将降低外延石墨烯的质量及均一性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法，该方法能够有效降低热裂解碳化硅制备外延石墨烯过程中保护氩气的气流及温度的扰动，从而增大石墨烯的晶畴面积；同时本发明能够降低石墨烯的生长速率，提高石墨烯的生长温度，从而获得结晶质量和电子迁移率更高的石墨烯。
本发明技术方案如下：
一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法，包括以下步骤：
步骤1：将表面清洁的碳化硅衬底1置于真空腔体中的电感应加热石墨舟内，抽真空至1×10-5Pa后通入0.7～0.9个大气压的高纯氢气，在1550～1600℃下对碳化硅衬底1表面刻蚀15～20分钟；
步骤2：待真空腔体冷却至室温后，打开真空腔体，采用一个开有若干气孔5的石墨罩4罩将碳化硅衬底1罩在电感应加热石墨舟内；关闭真空腔体，重新抽真空至1×10-5Pa后通入0.7～0.9个大气压的氩气，在1500～1650℃下进行15～20分钟石墨化；
步骤3：在氩气保护下自然冷却到室温，即可在碳化硅衬底1表面获得外延石墨烯。
需要说明的是，石墨罩4上开出的气孔5最好能均匀分布在碳化硅衬底1上方，且经实验验证气孔的孔径以不超过0.2毫米为佳。碳化硅衬底1表面清洁方法可先后用丙酮、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。
本发明实际上是对氩气辅助下热裂解碳化硅制备外延石墨烯方法的改进。由于氩气辅助下热裂解碳化硅制备外延石墨烯方法存在气流和温度的扰动，这将降低外延石墨烯的质量及均一性。本发明在氩气辅助下热裂解碳化硅制备外延石墨烯过程中，通过增加一个若干气孔5的石墨罩4罩将碳化硅衬底1罩在电感应加热石墨舟内，从而减小了气流和温度的扰动，从而能够获得更大晶畴面积的石墨烯；气孔5的存在，一方面不影响Si的升华，同时可适当控制Si的升华速率从而适当降低石墨烯的生长速率，从而更好地控制石墨烯的生长厚度。若气孔5孔径一致且分布均匀，所制备的石墨烯均一性和电子迁移率可大幅度提高。
附图说明
图1为本发明提供的热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法的装置示意图。其中1是碳化硅衬底，2是外延生长区，3是电感应加热石墨舟，4是石墨罩，5是气孔，6是氩气流，7是氩原子，8是硅原子。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例对本发明具体实施方案做进一步的说明。
将5×5mm碳化硅衬底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放置于石墨舟3的外延区2内，并放入热裂解碳化硅系统中，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1550°C下保温15～20分钟对衬底1表面进行刻蚀以形成规则的台阶形貌。在氢气保护下自然降温到室温，排出氢气。将开有气孔5的石墨帽罩4扣于碳化硅衬底1上方。随后将其放入热裂解碳化硅系统中。待真空度再次达到1×10-5Pa时，通入0.7～0.9个大气压的氩气。对碳化硅衬底1进行15～20分钟石墨化，在氩气保护下自然降温到室温。
测试结果显示：对于硅面碳化硅衬底，石墨烯的生长速度被大幅降低。当石墨化温度从1500℃提高到1650℃时，石墨烯厚度只从1.05层增加到了1.5层。同时晶畴的面积大幅增大。其平均迁移率较采用传统氩气辅助生长法生长的石墨烯的51cm2/V·s提高到166cm2/V·s，提升幅度达到325%；对于碳面碳化硅衬底，石墨烯的生长速度略有降低。当石墨化温度从1500℃提高到1650℃时，石墨烯厚度只从3.3层增加到8层。同时晶畴的面积大幅增大。其平均迁移率较采用传统氩气辅助生长法生长的石墨烯的1806cm2/V.s提高到2805cm2/V.s，提升幅度达到155%。

Claims (2)

1.一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法，包括以下步骤：
步骤1：将表面清洁的碳化硅衬底(1)置于真空腔体中的电感应加热石墨舟内，抽真空至1×10-5Pa后通入0.7～0.9个大气压的高纯氢气，在1550～1600℃下对碳化硅衬底(1)表面刻蚀15～20分钟；
步骤2：待真空腔体冷却至室温后，打开真空腔体，采用一个开有若干气孔(5)的石墨罩(4)罩将碳化硅衬底(1)罩在电感应加热石墨舟内；关闭真空腔体，重新抽真空至1×10-5Pa后通入0.7～0.9个大气压的氩气，在1500～1650℃下进行15～20分钟石墨化；其中，石墨罩(4)上开出的气孔(5)均匀分布在碳化硅衬底(1)上方，且气孔(5)的孔径不超过0.2毫米；
步骤3：在氩气保护下自然冷却到室温，即可在碳化硅衬底(1)表面获得外延石墨烯。
2.根据权利要求1所述的热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法，其特征在于，碳化硅衬底(1)表面清洁方法为：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。
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