CN103935990B - 基于聚焦离子束系统的He离子刻蚀制备石墨烯纳米带方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于聚焦离子束系统的He离子刻蚀制备石墨烯纳米带方法，使用氢腐蚀平整均匀的台阶状SiC基底，获得晶面粗糙度小于0.2 nm的腐蚀后的台阶状的SiC基底，对腐蚀后的台阶状的SiC基底进行加热生长制备石墨烯，对生长的石墨烯用聚焦离子束系统的He离子刻蚀加工，利用SiC外延生长石墨烯的固有结构特性，并在生长过程中通入氩气，生成宽度较大的，相对均匀的石墨烯纳米带，再利用FIB系统中的He离子刻蚀技术的固有特性对大宽度的石墨烯纳米带进行精细加工，可在其任意区域实现线宽10 nm以下的石墨烯纳米带的精确可控制备，灵敏度更高，对比度好。

Description

基于聚焦离子束系统的He离子刻蚀制备石墨烯纳米带方法

技术领域

本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，涉及纳米材料的制备领域。

背景技术

英国曼彻斯特大学的安德烈和康斯坦丁在2004年使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯，并研究其电学特性。石墨烯是一种由碳原子sp²杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚度为0.335 nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142 nm。石墨烯具有很多优良特性，如比表面积达2630，高载流子迁移率200,000 cm^{2 1}（硅材料的100倍），电阻率最低约为10^-6 Ω·cm（比铜和银更低），高热导率为5000 Wm¹K¹（铜的10倍）。这些特性使得石墨烯成为制备更小功耗、更高速率的新一代纳米电子元件的重要基础性材料，具有广阔的应用前景。然而石墨烯是带隙为零的半金属，价带和导带均呈锥形，由于带隙为零，带有大面积石墨烯沟道的器件不存在关闭特性，因此不适合逻辑电路的应用。为了设法用石墨烯制作逻辑电路，打开带隙的研究仍在继续进行之中，而将石墨烯加工成石墨烯纳米带是常用方法之一。

目前，获得石墨烯纳米带的方法主要有光刻蚀法、化学分散法和有机合成法。目前普遍使用的光刻蚀法能精确控制石墨烯薄膜的尺寸和形状，但石墨烯边缘粗糙，纳米带的宽度都在10 nm以上，打开能带较小；另一方面，采用化学分散法和有机合成法时，产率高但可控性差。因此，综合上述方法，需要提出一种可控性高、宽度小的石墨烯纳米带的制备方法。

聚焦离子束（Focus ion beam，FIB）系统是利用电透镜将离子束聚焦成极小尺寸的显微切割仪，包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板和计算机等硬设备。传统的FIB系统所用的金属离子源为Ga离子，外加电场于液相金属离子源可使液态Ga形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的Ga，而导出Ga离子束。通过电透镜聚焦，经过一系列变化孔径可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割的目的。传统的Ga离子刻蚀，其最高分辨率为1.2 nm，离子束直径最小为5 nm，致力于30 nm以上尺寸范围内的加工刻蚀，很难实现线宽在10 nm以下的石墨烯纳米带的加工。

发明内容

鉴于上述在制备石墨烯纳米带的现有技术中存在的局限性，本发明提供一种基于聚焦离子束系统的He离子刻蚀技术的石墨烯纳米带的制备方法，以确保制备的石墨烯纳米带具有较小的宽度以及较高的可控性。

本发明的技术方案是采用如下步骤：

（1）对SiC基底抛光和清洗，得到平整均匀的台阶状SiC基底；

（2）使用氢腐蚀平整均匀的台阶状SiC基底，获得晶面粗糙度小于0.2 nm的腐蚀后的台阶状的SiC基底；

（3）对腐蚀后的台阶状的SiC基底进行加热生长制备石墨烯；

（4）对生长的石墨烯用聚焦离子束系统的He离子刻蚀加工，刻蚀参数为：离子能级是20 kev，离子束电流是1 pA~10 pA，刻蚀时间是1μs~100 μs，抽真空至10^-6 Torr，获得线宽小于10 nm的石墨烯纳米带。

加热生长的方法是：将腐蚀后的台阶状的SiC基底放入周围为碳的腔体加热炉内，抽真空至10^-4 Torr，控制电源输出功率使得SiC基底表面的温度为1000℃，加热时间为10~20分钟，去除表面残留的氧化层；接着将温度提升到1400℃~1600℃，保持加热10~20分钟，在加热过程中通入氩气。

本发明的有益效果是：与传统的聚焦离子束Ga离子刻蚀相比，He离子分辨率高达0.24 nm，离子束直径小于5 nm，比Ga离子刻蚀的灵敏度更高，对比度好；本发明利用SiC外延生长石墨烯的固有结构特性（规则和纳米尺度的台阶分布），并在生长过程中通入氩气，生成宽度较大的，相对均匀的石墨烯纳米带，再利用FIB系统中的He离子刻蚀技术的固有特性（分辨率高达0.24 nm，离子束尺寸小于5 nm）对大宽度的石墨烯纳米带进行精细加工，可在其任意区域实现线宽10 nm以下的石墨烯纳米带的精确可控制备。

附图说明

图1为机械化学抛光和氢腐蚀后的台阶状SiC基底图；

图2为SiC外延生长石墨烯图；

图3为He离子刻蚀示意图；

图4为He离子刻蚀后SiC基底上的石墨烯纳米带图。

附图标记说明如下：

1-SiC基底；2-单层石墨烯；3-双层石墨烯；4-三层石墨烯；5-石墨烯纳米带。

具体实施方式

参见图1，本发明先对SiC（碳化硅）基底采用机械化学抛光，除去表面划痕等缺陷，再用标准晶圆清洗方法对SiC基底进行清洗，具体过程为分别用丙酮，无水乙醇，去离子水各超声5~10分钟，超声功率为99%，超声结束后用氮气枪将其快速吹干，得到平整均匀的台阶状SiC基底1，便于生长宽度较大的石墨烯纳米带。

使用氢腐蚀平整均匀的台阶状SiC基底1，选用射频感应加热炉为腐蚀装置，通过控制电源输出功率来控制腐蚀温度，电源功率设置为300 W ~500 W，通入氢气（20 sccm，30s），从而在SiC基底1上获得取向比较规则，平整均匀的腐蚀后的台阶状的SiC基底1，腐蚀后的台阶状的SiC基底1晶面粗糙度小于0.2 nm，如图1所示。

参见图2，用经腐蚀后的台阶状的SiC基底1外延石墨烯，选用射频感应加热炉对碳化硅进行加热生长处理来制备石墨烯。具体的生长方法为：将腐蚀后的台阶状的SiC基底1样品放入周围为碳的腔体加热炉内，抽真空至10^-4 Torr，接着用Labview程序控制电源输出功率使得加在SiC基底1样品表面的温度在1000℃，加热时间为10~20分钟，去除表面一些残留的氧化层；接着将温度提升到1400℃~1600℃，保持加热10~20分钟，由于SiC外延生长主要以超高真空及高温热分解为主，这种苛刻的工艺条件下生长出的石墨烯成岛状分布，层数不均匀，所以在加热过程中通入氩气，高气压氩气的存在会减小Si原子的蒸发速率，因为从衬底表面蒸发出的Si原子有一定的几率和氩原子碰撞并被反射回表面。因此在氩气气氛下外延石墨烯可以减小Si原子的蒸发速率，同时提高炉内温度，使得C原子的自组装过程能够充分进行，从而制得大面积且相对均匀的石墨烯薄膜如图2所示。图2中的单层石墨烯2、双层石墨烯3、三层石墨烯4只是对层数不均匀的示意，也可能是单层、双层、多层石墨烯。

参见图3，使用He离子刻蚀技术对生长的石墨烯进行精细加工。用FIB系统He离子刻蚀技术，通过控制He离子刻蚀参数对SiC外延生长的纳米带进行进一步操作加工，He离子刻蚀参数有离子能量、离子束电流、刻蚀时间等。在外延生长的石墨烯上进行选择性刻蚀，可以在任意区域获得宽度可控的石墨烯纳米带。加工时，抽真空至10^-6 Torr，设置刻蚀参数，刻蚀参数参数为：离子能级是20 kev，离子束电流是1 pA~10 pA，刻蚀时间是1μs~100 μs，框定刻蚀区域进行刻蚀，把不需要区域的单层石墨烯刻蚀掉，把原来的双层、三层石墨烯减薄为单层、双层石墨烯，并在获得的单层石墨烯上做精细加工，获得线宽小于10 nm的纳米带如图4所示。

Claims (1)

1.一种基于聚焦离子束系统的He离子刻蚀制备石墨烯纳米带方法，其特征是采用如下步骤：

（1）对SiC基底抛光和清洗，得到平整均匀的台阶状SiC基底；

（2）用射频感应加热炉为腐蚀装置，控制电源输出功率来控制腐蚀温度，电源功率设置为300W~500W，通入氢气，使用氢腐蚀平整均匀的台阶状SiC基底，获得晶面粗糙度小于0.2nm的腐蚀后的台阶状的SiC基底；

（3）对腐蚀后的台阶状的SiC基底进行加热生长制备石墨烯；加热生长的方法是：将腐蚀后的台阶状的SiC基底放入周围为碳的腔体加热炉内，抽真空至10^-4 Torr，控制电源输出功率使得SiC基底表面的温度为1000℃，加热时间为10~20分钟，去除表面残留的氧化层；接着将温度提升到1400℃~1600℃，保持加热10~20分钟，在加热过程中通入氩气；

（4）对生长的石墨烯用聚焦离子束系统的He离子刻蚀加工，刻蚀参数为：离子能级是20keV，离子束电流是1pA~10pA，刻蚀时间是1μs~100μs，抽真空至10^-6 Torr，获得线宽小于10nm的石墨烯纳米带。