CN104401964B - 一种制备富勒烯纳米结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备富勒烯纳米结构的方法，具体步骤如下：在洁净的衬底材料表面制备非晶碳层，碳层的厚度为2-6纳米；将制备有非晶碳层的衬底放入真空室，抽真空至体系真空度达到2*10-3Pa以下；开启电子枪，将电子束汇聚至衬底表面，电子束的束流强度为103-105e*s^(-1)*nm^(-2)，经过10-200分钟的电子束辐照后即在电子束辐照点位置制备得到富勒烯材料。可以定点在特定位置制备单个的富勒烯颗粒；可以获得不同层数的富勒烯材料；所获得的富勒烯材料结构状态良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种在材料表面特定位置高精度制备富勒烯纳米结构的方法，尤其涉及一种利用电子束辐照加工在材料表面形成富勒烯纳米结构的方法，属于先进半导体材料制备的技术领域。
背景技术
富勒烯是碳元素的一种特殊同素异形体，其特殊的球状形态使其具有高结构稳定性，可以用于半导体器件的构造，先进功能材料添加剂，太阳能电池等领域。狭义的富勒烯是指C60分子，其由60个碳原子构成完好的球形，因此也被称为是足球烯。广义的富勒烯包括由碳原子层构成的各种球状结构，其中每一层碳原子层具有类似于石墨烯的结构。
目前已经有多种方法用于制备富勒烯材料，包括电弧放电法，也即使用石墨棒在低电压大电流情况下进行电弧烧蚀形成富勒烯结构；物理/化学气相淀积方法，也即使用含有碳源的挥发性前驱体材料，在特定的载气下进行富勒烯结构的生长；超声化学法，也即使用超声石墨片的方法，在超声的激励下缝合石墨烯片层，生长富勒烯结构。以上几种方法各有优缺点，其中物理/化学气相淀积方法比较适合于大面积的制备富勒烯结构，电弧放电法制备得到的富勒烯质量较高，超声化学法制备富勒烯成本较低。
在通常的基于半导体电路的应用中，富勒烯材料一般需要支撑在特定的衬底上形成富勒烯-衬底接触以获得特定的电学性能，比如半导体整流特性或者传感响应特性。此时需要富勒烯和衬底具有良好的接触状态，同时需要富勒烯能够生长在特定的位置。在有些应用要求比较高的场合，还需要在特定的位置形成单个的富勒烯-衬底接触。即在一定的范围内只含有单个的富勒烯。传统的光刻工艺虽然可以使用刻蚀的方法去除多余的富勒烯，但是其成本较高，工艺复杂，并且有可能受到较大的污染。对于形成单个富勒烯-衬底接触，传统工艺方法也非常难以实现。
因此，在未来的单分子电路中，当需要构建这种单个富勒烯-衬底接触时，传统的方法可能都会遇到很大的困难。为了有效的构建这种结构，需要寻找一种新的方法
发明内容
发明目的：本发明提出一种制备富勒烯纳米结构的方法，使用电子束辐照加工淀积在衬底材料表面的非晶碳薄层，促使其转化成富勒烯材料的方法。通过一种全新的，表面吸附诱导的富勒烯生长机制在衬底表面的指定位置制备不同层数的富勒烯材料。
本发明的技术方案是：一种制备富勒烯纳米结构的方法，具体步骤如下：
(1)在洁净的衬底材料表面制备非晶碳层，碳层的厚度为2-6纳米；
(2)将制备有非晶碳层的衬底放入真空室，抽真空至体系真空度达到2*10-3Pa以下；
(3)开启电子枪，将电子束汇聚至衬底表面，电子束的束流强度为103-105e*s^(-1)*nm^(-2)，经过10-200分钟的电子束辐照后即在电子束辐照点位置制备得到富勒烯材料。
进一步的，所述衬底材料为Ni,Au,Si,SiO2,Al2O3,ZnO或者SiC。
非晶碳薄层受到电子束的辐照后转化为石墨烯小片结构。这些小片结构在电子束的进一步辐照下会相互连接，形成层状的碳层结构，这种碳层结构是富勒烯结构的生成基础单元。处于石墨烯片边缘的碳原子具有未饱和键，容易与衬底材料的表面原子产生相互作用，发生键合。这一作用使得石墨烯片的边缘倾向于以垂直于衬底表面的方式与衬底键合。与衬底键合后的石墨烯片层收到电子束的辐照后会逐渐完善结构，形成带缺口的富勒烯小球。随着电子束辐照，小球的直径变小，其缺口也最后消失，形成完整的富勒烯结构
本发明的有益效果：
这一途径基于一种全新的生长机制制备富勒烯材料。非晶碳薄层受到电子束的辐照后转化为石墨烯小片结构，这些小片结构随后将其边缘连接至衬底表面，伴随着电子束辐照，石墨烯小片相互连接，最后石墨烯小片封闭形成球状的富勒烯结构。其优势如下：
1.可以定点在特定位置制备单个的富勒烯颗粒；
2.可以获得不同层数的富勒烯材料；
3.所获得的富勒烯材料结构状态良好。
附图说明
图1：图示使用非晶碳薄膜制备富勒烯结构的过程原理图。其中1为非晶薄膜，2为衬底，3为经过电子束辐照后初步生成的石墨烯小片，4为边缘与衬底垂直相键合的单层石墨烯片，5为开口未封闭的单层富勒烯结构，6为最终形成的单层富勒烯结构。7为边缘与衬底垂直相键合的多层石墨烯片，8为开口未封闭的多层富勒烯结构，9为最终形成的多层富勒烯结构。
图2：使用本发明制备得到的单层结构的富勒烯的透射电镜照片。其中(a)为非晶碳薄膜经过辐照后形成的石墨烯小片，(b)为石墨烯小片被电子束刻蚀掉一部分，(c)为石墨烯片边缘垂直于衬底表面键合的状态，(d)为待封闭的单层富勒烯颗粒，(e)为最终形成的完整的单层富勒烯纳米结构。图上标尺为2纳米。
图3：使用本发明制备得到的双层结构的富勒烯的透射电镜照片。其中(a)为非晶碳薄膜，(b)为非晶碳薄膜经过辐照后形成的石墨烯小片，(c)为石墨烯片边缘垂直于衬底表面键合的状态，(d)为待封闭的双层富勒烯颗粒，(e)内层已经封闭，外层未封闭的富勒烯结构，(f)为最终形成的完整的双层富勒烯纳米结构。图上标尺为2纳米。
图4：使用本发明制备得到的三层结构的富勒烯的透射电镜照片。其中(a)为非晶碳薄膜经过辐照后形成的石墨烯小片，(b)为石墨烯小片形成三层堆叠的结构，(c)为石墨烯片边缘垂直于衬底表面键合的状态，(d)为待封闭的单层富勒烯颗粒，(e)为最终形成的完整的单层富勒烯纳米结构。图上标尺为2纳米。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施实例1：在室温状态下，衬底选用氧化锌材料。非晶碳薄膜厚度约2纳米。样品放入真空室，真空度约1.0×10^(-4)Pa，开启电子束对指定的位置进行辐照。电子束强度约1*103e*s^(-1)*nm^(-2)。以2-10分钟为间隔使用透射电子显微镜观察一次样品表面状况。所得结果图如图2所示。经过约50分钟的电子束辐照后，可以看到单个的单层富勒烯结构最终在氧化锌表面的指定位置形成。
实施实例2：在室温状态下，衬底选用氧化锌材料。非晶碳薄膜厚度约3.5纳米。样品放入真空室，真空度约5.0×10^(-5)Pa，开启电子束对指定的位置进行辐照。电子束强度1*105e*s^(-1)*nm^(-2)。以2-10分钟为间隔使用透射电子显微镜观察一次样品表面状况。所得结果图如图3所示。经过约70分钟的电子束辐照后，可以看到单个的双层富勒烯结构最终在氧化锌表面的指定位置形成。
实施实例3：在室温状态下，衬底选用氧化锌材料。非晶碳薄膜厚度约6纳米。样品放入真空室，真空度约1.0×10^(-5)Pa，开启电子束对指定的位置进行辐照。电子束强度1*105e*s^(-1)*nm^(-2)。以2-10分钟为间隔使用透射电子显微镜观察一次样品表面状况。所得结果图如图4所示。经过约100分钟的电子束辐照后，可以看到单个的三层富勒烯结构最终在氧化锌表面的指定位置形成。
实施实例4：在室温状态下，衬底选用硅材料。非晶碳薄膜厚度约2纳米。样品放入真空室，真空度约2*10-3Pa，开启电子束对指定的位置进行辐照。电子束强度1*105e*s^(-1)*nm^(-2)。以2-10分钟为间隔使用透射电子显微镜观察一次样品表面状况。经过10分钟的电子束辐照后，可以看到单个的三层富勒烯结构最终在氧化锌表面的指定位置形成。
实施实例5：在室温状态下，衬底选用氧化硅材料。非晶碳薄膜厚度约6纳米。样品放入真空室，真空度约1.0×10^(-5)Pa，开启电子束对指定的位置进行辐照。电子束强度1*103e*s^(-1)*nm^(-2)。以2-10分钟为间隔使用透射电子显微镜观察一次样品表面状况。经过100分钟的电子束辐照后，可以看到单个的三层富勒烯结构最终在氧化锌表面的指定位置形成。
本发明的基本原理是非晶碳材料经过辐照后变成石墨烯小片，而石墨烯小片的边缘与衬底材料的作用促使了富勒烯结构的生成。基于这一原理，结合相关文献的报道，其他衬底材料比如Ni,Au,Si,SiO2,Al2O3,和SiC都具有这一效应，因此都可以作为衬底材料。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于这些说明。应当指出：对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代、变型和改进，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种制备富勒烯纳米结构的方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)在洁净的衬底材料表面制备非晶碳层，碳层的厚度为2-6纳米；
(2)将制备有非晶碳层的衬底放入真空室，抽真空至体系真空度达到2*10-3Pa以下；
(3)开启电子枪，将电子束汇聚至衬底表面，电子束的束流强度为103-105e*s^(-1)*nm^(-2)，经过10-200分钟的电子束辐照后即在电子束辐照点位置制备得到富勒烯材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备富勒烯纳米结构的方法，其特征在于：所述衬底材料为Ni,Au,Si,SiO2,Al2O3,ZnO或者SiC。
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