CN105088350A - 一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法 - Google Patents
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Abstract
一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，包括如下步骤：a)通过SRIM软件计算辐照离子在SiC晶体中产生的损伤分布、电子能量损失和核能量损失分布，计算缺陷石墨烯的能带结构；b)用离子束对SiC基外延石墨烯样品进行辐照，形成带有缺陷结构的外延石墨烯；c)分别采用金相显微镜观察石墨烯辐照前后的金相结构以及通过扫描电子显微镜观察石墨烯辐照前后表面褶皱变化；d)测通过公式
Description
技术领域
本发明涉及一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法。
背景技术
石墨烯是单层碳原子薄膜，是典型的二维晶体材料。因为其优越的物理及化学性能，其研究领域已经深入到了电子器件、传感器、储能、调制器等范围。因为石墨烯在狄拉克点附近独特的电子结构，其拥有许多特有的性质。有科学家大胆预测石墨烯终将取代硅成为电子信息领域的首选材料。但是其零电子带隙的特点已经严重制约了其应用范围，因此打开并调控石墨烯的电子带隙，是决定其能否成功应用于电子信息领域的关键问题。目前来说关于调控石墨烯能隙的研究可以分为：纳米条带、双层石墨烯、衬底效应、引入缺陷等类型。
受目前制备工艺的制约，纳米条带的尺寸不可随意缩小；电场诱导方式控制双层石墨烯的电子带隙对层数及石墨烯晶格完美性要求非常严苛；衬底效应产生的电子带隙不具备可调性。综上所述，前两种电子带隙的调控方式都受到了制备工艺的制约；衬底效应仅能引起确定大小的带隙；相比之下通过缺陷结构调控电子带隙不受制备工艺及衬底材料的限制，具有迷人的前景拥有重要的研究价值。缺陷结构可以调控石墨烯的电子带隙，因此在石墨烯中引入可控的缺陷结构，是实现对石墨烯能隙调控优选途径。离子束的种类、能量、剂量等辐照条件可以精确控制，可控性及重复性是离子辐照方法的主要优点。因此离子辐照方法可以克服其他方法可控性及重复性差的缺点，该方法是在石墨烯中产生缺陷结构的优选方案。本发明选用离子辐照方法在石墨烯中产生可控的缺陷结构，进而调控石墨烯的电子带隙。
狄增峰等人提交的申请号为CN201210174733的发明专利“一种基于离子注入技术打开石墨烯带隙的方法”。该方法首先用离子注入技术轰击石墨烯表面，使其表面产生缺陷（空位），然后选择在合适的气体气氛中退火，完成N型或者P型掺杂，从而打开带隙。该发明有如下缺点：注入离子种类限定为P离子，这种限制要求使用专用离子源，抬高注入成本；该发明专利目的为打开带隙，没有说明电子带隙的可调控性，限制了其应用价值。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种可控性强以及重复性能优良的调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，依次包括如下步骤：
a)准备外延石墨烯样品，通过SRIM软件计算离子在SiC晶体中的损伤分布、电子能量损失和核能量损失分布，辐射离子种类为H或He中的一种轻离子以及原子量为6-40之间的中间质量离子，轻离子能量为25keV～500keV、剂量为，中间质量离子能量为500keV～6MeV、剂量为，通过第一性原理计算缺陷石墨烯的能带结构；
b)用离子束对SiC基外延石墨烯样品进行辐照，辐照离子穿过石墨烯进入SiC衬底并停留在衬底中，离子束中的辐照离子穿过石墨烯时产生电子能量沉积导致石墨烯晶格机构移位缺陷产生，部分辐照离子与碳原子核发生碰撞产生空位缺陷，辐照后形成带有缺陷结构的外延石墨烯；
c)分别采用金相显微镜观察石墨烯辐照前后的金相结构以及通过扫描电子显微镜观察石墨烯辐照前后表面褶皱变化；
d)测试不同离子辐照的拉曼光谱，拉曼光谱中的G峰为碳sp2结构的特征峰，拉曼光谱中的D峰为缺陷峰，G峰强度为，其取值为，D峰强度为，其取值为，通过公式计算不同辐照条件下的石墨烯样品的晶格缺陷量，进而得到缺陷结构随辐照条件的变化关系；
e)用红外光谱测试外延石墨烯中的带隙。
上述步骤b）中的离子束种类为H或He的轻离子，其离子能量为25keV-500keV，离子剂量为。
上述步骤b）中的离子束种类为原子量为6-40之间的中间质量离子，其离子能量为500keV-6MeV，离子剂量为。
为了提高缺陷结构的稳定性，执行完步骤d)后对辐照后的石墨烯进行真空退火处理，得到稳定的缺陷结构。
为了进一步实时观察石墨烯在辐照过程中的形貌变化，在步骤c)中利用原子力显微镜观察石墨烯辐照前后表面粗糙度的变化。
为了进一步实时观察石墨烯在辐照过程中的形貌变化，在步骤c)中利用扫描探针显微镜得出石墨烯缺陷状态的具体结构。
上述中间质量离子为B或C或N或O或Si或P或Ar中的一种。
本发明的有益效果是：本发明用离子束轰击SiC基外延石墨烯，轰掉一些碳原子并使部分碳原子移位，产生移位及空位缺陷；然后再在真空氛围中退火得到稳定的缺陷结构，实现调控带隙的目的。使石墨烯中具有可控的缺陷结构，从而可调石墨烯的电子带隙，克服了传统工艺可控性及重复性差的特点。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，依次包括如下步骤：a)准备外延石墨烯样品，通过SRIM软件计算离子在SiC晶体中的损伤分布、电子能量损失和核能量损失分布，辐射离子种类为H或He中的一种轻离子以及原子量为6-40之间的中间质量离子，轻离子能量为25keV～500keV、剂量为，中间质量离子能量为500keV～6MeV、剂量为，通过第一性原理计算缺陷石墨烯的能带结构。目的是应用理论模拟离子与固体相互作用的软件SRIM进行理论模拟计算出石墨烯的能带结构，为后续步骤提供理论基础。
b)用离子束对SiC基外延石墨烯样品进行辐照，辐照离子穿过石墨烯进入SiC衬底并停留在衬底中，离子束中的辐照离子穿过石墨烯时产生电子能量沉积导致石墨烯晶格机构移位缺陷产生，部分辐照离子与碳原子核发生碰撞产生空位缺陷，辐照后形成带有缺陷结构的外延石墨烯。其中的离子束种类为原子量为6-40之间的中间质量离子，其离子能量为500keV-6MeV，离子剂量为。例如选用C离子，其能量为5MeV，剂量为，对SiC基外延石墨烯样品进行辐照，辐照过程可以在1.7MV串列加速器上完成。
c)分别采用金相显微镜观察石墨烯辐照前后的金相结构以及通过扫描电子显微镜观察石墨烯辐照前后表面褶皱变化，以便于对石墨烯辐照过程中形貌的实时得知。进一步的，在步骤c)中还可以利用原子力显微镜观察石墨烯辐照前后表面粗糙度的变化，给出辐照前后石墨烯表面粗糙度的改变。利用扫描探针显微镜可以得出石墨烯缺陷状态的具体结构的改变。
d)测试不同离子辐照的拉曼光谱，拉曼光谱中的G峰为碳sp2结构的特征峰，拉曼光谱中的D峰为缺陷峰，G峰强度为，其取值为，D峰强度为，其取值为，通过公式计算不同辐照条件下的石墨烯样品的晶格缺陷量，进而得到缺陷结构随辐照条件的变化关系。
e)最终用红外光谱测试外延石墨烯中的带隙。红外光谱法是测试电子带隙的简单、直观、有效的方法，可以通过辐照前后红外吸收光谱的对比，探测石墨烯的带隙。
本发明用离子束轰击SiC基外延石墨烯，轰掉一些碳原子并使部分碳原子移位，产生移位及空位缺陷；然后再在真空氛围中退火得到稳定的缺陷结构，实现调控带隙的目的。使石墨烯中具有可控的缺陷结构，从而可调石墨烯的电子带隙，克服了传统工艺可控性及重复性差的特点。
进一步的，上述步骤b）中的离子束种类为H或He的轻离子，其离子能量为25keV-500keV，离子剂量为。而中间质量离子为B或C或N或O或Si或P或Ar中的一种。
由于石墨烯本身在高温下与氧气反应的特点，因此进一步的，执行完步骤d)后对辐照后的石墨烯进行真空退火处理，得到稳定的缺陷结构。
Claims (7)
1.一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
a)准备外延石墨烯样品，通过SRIM软件计算离子在SiC晶体中的损伤分布、电子能量损失和核能量损失分布，辐射离子种类为H或He中的一种轻离子以及原子量为6-40之间的中间质量离子，轻离子能量为25keV～500keV、剂量为，中间质量离子能量为500keV～6MeV、剂量为，通过第一性原理计算缺陷石墨烯的能带结构；
b)用离子束对SiC基外延石墨烯样品进行辐照，辐照离子穿过石墨烯进入SiC衬底并停留在衬底中，离子束中的辐照离子穿过石墨烯时产生电子能量沉积导致石墨烯晶格机构移位缺陷产生，部分辐照离子与碳原子核发生碰撞产生空位缺陷，辐照后形成带有缺陷结构的外延石墨烯；
c)分别采用金相显微镜观察石墨烯辐照前后的金相结构以及通过扫描电子显微镜观察石墨烯辐照前后表面褶皱变化；
d)测试不同离子辐照的拉曼光谱，拉曼光谱中的G峰为碳sp2结构的特征峰，拉曼光谱中的D峰为缺陷峰，G峰强度为，其取值为，D峰强度为，其取值为，通过公式计算不同辐照条件下的石墨烯样品的晶格缺陷量，进而得到缺陷结构随辐照条件的变化关系；
e)用红外光谱测试外延石墨烯中的带隙。
2.根据权利要求1所述的调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，其特征在于：所述步骤b）中的离子束种类为H或He的轻离子，其离子能量为25keV-500keV，离子剂量为。
3.根据权利要求1所述的调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，其特征在于：所述步骤b）中的离子束种类为原子量为6-40之间的中间质量离子，其离子能量为500keV-6MeV，离子剂量为。
4.根据权利要求1或2或3所述的调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，其特征在于：执行完步骤d)后对辐照后的石墨烯进行真空退火处理，得到稳定的缺陷结构。
5.根据权利要求4所述的调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，其特征在于：在步骤c)中利用原子力显微镜观察石墨烯辐照前后表面粗糙度的变化。
6.根据权利要求4所述的调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，其特征在于：在步骤c)中利用扫描探针显微镜得出石墨烯缺陷状态的具体结构。
7.根据权利要求3所述的调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，其特征在于：所述中间质量离子为B或C或N或O或Si或P或Ar中的一种。
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