CN105986226B - 一种使石墨烯与金属基底之间绝缘的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使石墨烯与金属基底之间绝缘的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在金属基底上制备石墨烯；2)将所述石墨烯加热并维持；3)将硅沉积到所述石墨烯表面，同时进行插层，进入所述石墨烯和所述基底之间；4)降温。本发明对室温下沉积硅、高温退火的方法进行了改进，高温下沉积硅同时进行插层，这样提高了插硅的效率，避免原有方法硅原子在石墨烯表明可能形成较大团簇的缺陷，有利于增加硅插层厚度及提高插层后石墨烯的质量，进而使石墨烯与基底之间绝缘，保持了石墨烯的良好品质。

Description

一种使石墨烯与金属基底之间绝缘的方法

技术领域

本发明涉及一种使石墨烯与金属基底绝缘的制备方法，属于半导体科技领域。

背景技术

石墨烯是一种二维六方的碳结构，具有优异的电学、热学和力学性能，被认为是替代现有硅基半导体的候选材料，受到广泛关注。全球关于石墨烯的研究也正在积极进行中。

但关于石墨烯大面积高质量的制备是当前的难题之一。机械剥离方法获得的石墨烯具有较高的质量，但面积很小，不能不规模应用。金属上进行外延生长，可以获得大面积高质量的石墨烯，但石墨烯与金属基底之间不绝缘，不能进行微加工制备微电子器件。

2012年，中国科学院物理研究所的高鸿钧研究组采用在室温下沉积硅，然后高温退火的方法，得到了石墨烯与金属基底之间的硅插层。

发明内容

本发明公开了一种使石墨烯与金属基底绝缘的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)在金属基底上制备石墨烯；

2)将所述石墨烯样品加热并维持；

3)将硅沉积到所述石墨烯表面，同时进行插层，进入所述石墨烯和所述基底之间；

4)降温。

进一步地，在沉积硅的过程包括不断沉积和间歇性沉积硅两种，沉积硅的方法包括电子束加热、热蒸发、微波、激光等提供热源的方法。

进一步地，所述金属基底包括整块金属和金属薄膜，所述金属基底选自如下的至少一种：Ni、Co、Fe、Ir、Pt、Au、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Mo、 Rh、Ru、Ta、Ti、W、U、V和Zr。

进一步地，所述金属基底上制备的石墨烯包括单晶石墨烯、多晶石墨烯、石墨烯片及双层或多层石墨烯。

进一步地，所述降温的过程包括急速降温、缓慢降温和程序降温。

进一步地，所述硅插层的厚度可调，在1nm与1mm之间。

进一步地，所述方法同样适用于B、Ge、Se及化合物等，其实现步骤与高温插硅相同。

本发明的显著效果在于：本发明对室温下沉积硅、高温退火的方法进行了改进，高温下沉积硅同时进行插层，这样提高了插硅的效率，有利于提高插层后石墨烯的质量及插层厚度，进而使石墨烯与基底之间绝缘，保持石墨烯的良好品质。

附图说明

图1示出了本发明的实施步骤，在金属上制备石墨烯，然后对样品进行加热并维持，在高温下沉积硅，之后在石墨烯与硅之间形成插层；

图2示出了本发明实施例中在铱薄膜上制备石墨烯，并进行高温插硅实验，硅插层的厚度为20nm；

图3示出了本发明实施例中单晶钌上外延生长石墨烯并进行插层的摩擦力图，从中可以得出石墨烯的覆盖度为90％左右；

图4示出了本发明实施例中钌上外延生长石墨烯插硅后的形貌图和相位图，从中可以看出石墨烯的覆盖度为100％，并且在石墨烯下面，硅形成条状有序结构；

图5示出了本发明实施例中铱单晶上制备石墨烯插硅后的形貌图和摩擦力图，从中可以发现石墨烯的覆盖度为100％；

图6示出了本发明实施例中铱单晶上制备的石墨烯插硅后的拉曼谱线，石墨烯没有D峰，可知石墨烯没有缺陷；

图7示出了本发明实施例中铱单晶上外延生长石墨烯插硅后的形貌图，从中可见石墨烯下面的硅原子形成了有序结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明公开的使石墨烯与金属基底绝缘的制备方法的具体实施方式做详细说明，而非用以限制本发明的范围。

实施例1

本实施例采用在过渡金属表面的分子束外延的方法制备高质量石墨烯，其具体步骤为：首先在真空腔内对过渡金属单晶表面进行氩离子溅射和氧气灼烧，之后将过渡金属样品升温到700℃至1200℃之间，向真空腔内通入乙烯气体，缓慢降温，形成石墨烯。之后，利用电子束加热的方式，使生长有石墨烯的过渡金属单晶样品升到高温并维持。利用聚焦电子束蒸发源将硅原子或者硅团簇蒸发到石墨烯表面，同时进行插层。在沉积硅的过程包括不断沉积和间歇性沉积硅两种。给样品进行加热以进行插层的温度为200℃～1500℃。插层进入石墨烯和金属基底之间的硅包括无定形态、晶态和其它有序态。插入石墨烯和基底之间的硅层厚度在1nm至1mm 之间。硅插层可以使石墨烯与基底之间绝缘，同时可以通过改变实验参数的方法，调节硅插层的电阻值，使其能够在绝缘和不绝缘之间转变。其步骤如图1所示，在石墨烯与金属之间将会形成硅插层。

硅插层可以形成较厚的厚度。如图2所示，在铱单晶薄膜上外延生长石墨烯并进行高温插硅实验，当把样品表面一部分遮住时，硅原子将难以进入这部分这遮住的区域，而没被遮住的地方硅原子将正常进行插层。通过这两部分的对比，我们可以通过测量得出硅插层的厚度为20nm。

实施例2

本实施例中，在钌单晶上外延生长石墨烯并进行高温插硅实验，利用摩擦力显微镜，我们可以得到插硅后石墨烯的覆盖度为90％左右，如图3所示。其中黄色的区域为硅或硅的氧化物，褐红色区域为石墨烯。

实施例3

在本实施例中，将要展示通过调节硅插层温度，我们可以获得不同的石墨烯覆盖度和硅插层的结构。如图4所示，左图为形貌图，我们可以看到硅插层所得到的棒状结构；右图为相位图，其颜色均一，可见石墨烯的覆盖度为100％。如图5所示，左图为形貌图，右图为摩擦力图，可见石墨烯的覆盖度仍为100％。在高温插层过程中，石墨烯未经破坏，图6为高温插硅后石墨烯的拉曼图，没有D峰，进而可以判断，经过这种方法制备的硅插层石墨烯没有缺陷。如图7所示，插层后的硅形成棒状结构，并相互之间构成 120°的夹角，因而可以断定硅形成了有序结构。经过电学测量，高温厚硅插层后的石墨烯与基底绝缘。

高温插层方法同样适用于其他材料，如B、Ge、Se及化合物等，其实现步骤与高温插硅相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，只是为本发明提供优选的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种使石墨烯与金属基底之间绝缘的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在金属基底上制备石墨烯，在真空腔内对过渡金属单晶表面进行氩离子溅射和氧气灼烧，之后将过渡金属样品升温到700℃至1200℃之间，向真空腔内通入乙烯气体，缓慢降温，形成石墨烯；

2)将所述石墨烯样品加热并维持；利用电子束加热的方式，使生长有石墨烯的过渡金属单晶样品升到高温并维持；

3)将硅沉积到所述石墨烯表面，同时进行插层，进入所述石墨烯和所述基底之间；具体利用聚焦电子束蒸发源将硅原子或者硅团簇蒸发到石墨烯表面，同时进行插层，给样品进行加热，进行插层的温度为200℃～1500℃；

4)降温，插入石墨烯和基底之间的硅层厚度在1nm至1mm之间，硅插层石墨烯没有缺陷，石墨烯的覆盖度达到100％，插层后的硅形成棒状有序结构，相互之间构成120°的夹角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)包括：所述生长石墨烯的方法包括但不限于化学气相沉积法(CVD)、分子束外延(MBE)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属基底选自如下的至少一种：Ni、Co、Fe、Ir、Pt、Au、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Mo、Rh、Ru、Ta、Ti、W、U、V和Zr。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述金属基底包括整块金属和金属薄膜。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，金属上制备的石墨烯包括单晶石墨烯、多晶石墨烯、石墨烯片及双层或多层石墨烯。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，插层进入石墨烯和金属基底之间的硅包括无定形态、晶态和其它有序态。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降温的过程包括急速降温、缓慢降温和程序降温。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法同样适用于B、Ge、Se及化合物等，其实现步骤与高温插硅相同。