CN106783560A - 一种石墨烯化学修饰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石墨烯修饰技术领域，公开了一种石墨烯化学修饰方法，包括对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对光化学修饰后的石墨烯及基底进行原子层选择性沉积。本发明解决了现有技术不能既对石墨烯进行结构和性能调试，又能直接制备出石墨烯器件的问题。本发明提供的石墨烯化学修饰方法制备工艺简单，能根据需求调制石墨烯的性能和结构，且能更加便捷地制备石墨烯器件，减少了通常石墨烯器件制备中曝光、沉积、刻蚀等复杂的工艺对石墨烯带来的污染和缺陷。

Description

一种石墨烯化学修饰方法
技术领域
本发明涉及石墨烯修饰技术领域，尤其涉及一种石墨烯化学修饰方法。
背景技术
石墨烯最初是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的完美二维晶体。石墨烯具有极高的载流子迁移率、亚微米量级的弹道输运、优异的机械性能和导热性以及良好的光学特性和化学稳定性。
限制石墨烯深入应用的重要因素是石墨烯具有半金属零带隙特性，发展调控石墨烯电子结构和禁带宽度技术具有重要的意义。关于石墨烯及其衍生物的物理化学性质的研究以及石墨烯器件的制备也一直是科学界的研究重点。研究结果显示，掺杂异质元素、边缘修饰、引入外加电压、氢化石墨烯等都可以用来调控石墨烯的结构、带隙和性能。石墨烯器件的制备往往需要经过转移、涂胶、光刻、沉积、刻蚀等一系列复杂的工艺技术。传统的用来调控石墨烯结构和制备石墨烯器件采用的是不同的方法，现有技术中并没有能既对石墨烯进行结构和性能调试，又能直接制备出石墨烯器件的方法。
发明内容
本申请实施例通过提供一种石墨烯化学修饰方法，解决了现有技术不能既对石墨烯进行结构和性能调试，又能直接制备出石墨烯器件的问题。
本申请实施例提供一种石墨烯化学修饰方法，包括以下步骤：对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行原子层选择性沉积。
优选的，重复所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积过程实现石墨烯的多次修饰。
优选的，在所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，所述惰性气体为Ar或He；所述烘烤的温度为100-600℃。
优选的，所述石墨烯为单层石墨烯或少层石墨烯；所述基底为Si、Si/SiO2、金属中的一种。
优选的，所述脉冲激光为飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光中的一种；所述脉冲激光的能量范围为0.5-200mJ/cm2。
优选的，所述原子层选择性沉积的种类为金属、氧化物、氮化物、多组分化合物中的一种；所述原子层选择性沉积的衬底温度为50-400℃。
优选的，所述石墨烯化学修饰方法能应用于制备石墨烯器件。
优选的，所述制备石墨烯器件包括：对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行绝缘栅介质的原子层选择性沉积；对沉积绝缘栅介质后的石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对光化学修饰后的石墨烯及基底进行金属电极的原子层选择性沉积。
优选的，在所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底。
优选的，所述绝缘栅介质为氧化铝、氧化铪、氧化钛、多组分氧化物中的一种；所述金属电极为铝、铂、金、镍、铬中的一种。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，提供了一种石墨烯化学修饰方法，该方法制备工艺简单，通过图形化的光化学修饰，可以使得石墨烯表面产生缺陷、官能团，为原子层沉积提供了化学活性位点，使得石墨烯表面发生选择性的原子层沉积，能根据需求调制石墨烯的性能和结构。
进一步的，在本申请实施例中，提供的石墨烯化学修饰方法能更加便捷地制备石墨烯器件，减少了通常石墨烯器件制备中曝光、沉积、刻蚀等复杂的工艺对石墨烯带来的污染和缺陷。
进一步的，在本申请实施例中，在光化学修饰和原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，能有效增加石墨烯及器件的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的对石墨烯进行选择性修饰的流程图示意图；
图2为本发明实施例二提供的对石墨烯进行选择性修饰的流程图示意图；
图3为本发明实施例三提供的制备石墨烯器件的流程图示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种石墨烯化学修饰方法，解决了现有技术不能既对石墨烯进行结构和性能调试，又能直接制备出石墨烯器件的问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
石墨烯表面化学惰性难以直接进行原子层沉积(ALD)，本发明利于光化学的图形化修饰，可以使得石墨烯表面产生缺陷、官能团等，为ALD提供了化学活性位点，使得发生选择性的原子层沉积。
本发明通过对石墨烯进行可控的光化学修饰，再通过ALD逐层循环的生长方式，可以对石墨烯进行可控的原子修饰，可以调控石墨烯的内在性能和结构。
本发明用于石墨烯原子尺度选择性修饰的方法，不仅可以改善石墨烯的内在性能、调制石墨烯的结构，而且为石墨烯器件的制备提供了一种更为简便的方法，减少了通常石墨烯器件制备中曝光、沉积、刻蚀等复杂的工艺对石墨烯带来的污染和缺陷。
本发明将石墨烯首先采用惰性气体真空高温烘烤，再采用脉冲激光直写技术进行图形化的光化学修饰，接下来将图形化修饰的石墨烯再次采用惰性气体真空高温烘烤后，放入原子层沉积(ALD)设备的反应腔室中，进行原子层选择性沉积，所述原子层选择性沉积的物种可以任意设置，最终得到选择性原子修饰的石墨烯薄膜，重复上述光化学修饰和原子层沉积过程还可以实现石墨烯的多次修饰以及石墨烯器件的制备。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行原子层选择性沉积。
所述石墨烯为单层石墨烯或少层石墨烯；所述基底为Si、Si/SiO2、金属中的一种。所述脉冲激光为飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光中的一种；所述脉冲激光的能量范围为0.5-200mJ/cm2。
所述原子层选择性沉积的种类为金属；所述原子层选择性沉积的衬底温度为50-400℃。
实施例1提供了一种石墨烯化学修饰方法，该方法制备工艺简单，通过图形化的光化学修饰，可以使得石墨烯表面产生缺陷、官能团，为原子层沉积提供了化学活性位点，使得石墨烯表面发生选择性的原子层沉积，能根据需求调制石墨烯的性能和结构。
实施例2：
对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行原子层选择性沉积。
在所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，所述惰性气体为Ar或He，优选地为Ar；所述烘烤的温度为100-600℃。
所述石墨烯为单层石墨烯或少层石墨烯；所述基底为Si、Si/SiO2、金属中的一种。所述脉冲激光为飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光中的一种；所述脉冲激光的能量范围为0.5-200mJ/cm2。
所述原子层选择性沉积的种类为金属；所述原子层选择性沉积的衬底温度为50-400℃。
如图1所示，将石墨烯首先采用惰性气体高温烘烤；再采用脉冲激光直写技术进行图形化的光化学修饰；接下来将图形化修饰的石墨烯再次采用惰性气体高温烘烤后，放入原子层沉积(ALD)设备的反应腔室中，进行金属的原子层选择性沉积，金属原子可以为铝、铂、金、镍、铬；选择铂进行金属的原子层选择性沉积，得到铂选择性修饰的石墨烯。
实施例2提供了一种石墨烯化学修饰方法，该方法制备工艺简单，通过图形化的光化学修饰，可以使得石墨烯表面产生缺陷、官能团，为原子层沉积提供了化学活性位点，使得石墨烯表面发生选择性的原子层沉积，能根据需求调制石墨烯的性能和结构。此外，在光化学修饰和原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，能有效增加石墨烯的稳定性。
实施例3：
对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行原子层选择性沉积。重复所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积过程实现石墨烯的多次修饰。
在所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，所述惰性气体为Ar或He，优选地为Ar；所述烘烤的温度为100-600℃。
所述石墨烯为单层石墨烯或少层石墨烯；所述基底为Si、Si/SiO2、金属中的一种。所述脉冲激光为飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光中的一种；所述脉冲激光的能量范围为0.5-200mJ/cm2。
所述原子层选择性沉积的种类为氧化物；所述原子层选择性沉积的衬底温度为50-400℃。
如图2所示，将石墨烯首先采用惰性气体高温烘烤，再采用脉冲激光直写技术进行图形化的光化学修饰；接下来将图形化修饰的石墨烯再次采用惰性气体高温烘烤后，放入原子层沉积(ALD)设备的反应腔室中，进行氧化物的原子层选择性沉积，氧化物可以为氧化铝、氧化铪、氧化锌、氧化钛；选择氧化钛进行氧化物的原子层选择性沉积；重复上述步骤，选择氧化锌进行氧化物的原子层选择性沉积，得到氧化锌和氧化钛选择性修饰的石墨烯。
实施例3提供了一种石墨烯化学修饰方法，该方法制备工艺简单，通过图形化的光化学修饰，可以使得石墨烯表面产生缺陷、官能团，为原子层沉积提供了化学活性位点，使得石墨烯表面发生选择性的原子层沉积，能根据需求调制石墨烯的性能和结构。此外，在光化学修饰和原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，能有效增加石墨烯的稳定性。
实施例4：
对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行原子层选择性沉积。重复所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积过程实现石墨烯的多次修饰。
在所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，所述惰性气体为Ar或He，优选地为Ar；所述烘烤的温度为100-600℃。
所述石墨烯为单层石墨烯或少层石墨烯；所述基底为Si、Si/SiO2、金属中的一种。所述脉冲激光为飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光中的一种；所述脉冲激光的能量范围为0.5-200mJ/cm2。
所述原子层选择性沉积的种类为金属、氧化物、氮化物、多组分化合物中的一种；所述原子层选择性沉积的衬底温度为50-400℃。
所述石墨烯化学修饰方法能应用于制备石墨烯器件。
所述制备石墨烯器件包括：对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行绝缘栅介质的原子层选择性沉积；对沉积绝缘栅介质后的石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；对光化学修饰后的石墨烯及基底进行金属电极的原子层选择性沉积。
所述绝缘栅介质为氧化铝、氧化铪、氧化钛、多组分氧化物中的一种，优选地为氧化铝；所述金属电极为铝、铂、金、镍、铬中的一种，优选地为铂。
如图3所示，将石墨烯首先采用惰性气体高温烘烤，再采用脉冲激光直写技术进行图形化的光化学修饰；接下来将图形化修饰的石墨烯再次采用惰性气体高温烘烤后，放入原子层沉积(ALD)设备的反应腔室中，进行绝缘栅介质的原子层选择性沉积；再采用脉冲激光直写技术进行图形化的光化学修饰；再次采用惰性气体高温烘烤后，放入原子层沉积(ALD)设备的反应腔室中，进行金属电极的原子层选择性沉积，得到石墨烯场效应晶体管。
实施例4提供了一种利用石墨烯化学修饰方法更加便捷地制备石墨烯器件的方法。该方法制备工艺简单，通过图形化的光化学修饰，可以使得石墨烯表面产生缺陷、官能团，为原子层沉积提供了化学活性位点，使得石墨烯表面发生选择性的原子层沉积，能根据需求调制石墨烯的性能和结构。在光化学修饰和原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，能有效增加石墨烯器件的稳定性。利用石墨烯化学修饰方法制备石墨烯器件，减少了通常石墨烯器件制备中曝光、沉积、刻蚀等复杂的工艺对石墨烯带来的污染和缺陷。
本发明实施例提供的一种石墨烯化学修饰方法至少包括如下技术效果：
1、在本申请实施例中，提供了一种石墨烯化学修饰方法，该方法制备工艺简单，通过图形化的光化学修饰，可以使得石墨烯表面产生缺陷、官能团，为原子层沉积提供了化学活性位点，使得石墨烯表面发生选择性的原子层沉积，能根据需求调制石墨烯的性能和结构。
2、在本申请实施例中，提供的石墨烯化学修饰方法能更加便捷地制备石墨烯器件，减少了通常石墨烯器件制备中曝光、沉积、刻蚀等复杂的工艺对石墨烯带来的污染和缺陷。
3、在本申请实施例中，在光化学修饰和原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，能有效增加石墨烯及器件的稳定性。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种石墨烯化学修饰方法，其特征在于，包括以下步骤：
对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；
对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行原子层选择性沉积。
2.根据权利要求1所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，重复所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积过程实现石墨烯的多次修饰。
3.根据权利要求1所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，在所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底，所述惰性气体为Ar或He；所述烘烤的温度为100-600℃。
4.根据权利要求1所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，所述石墨烯为单层石墨烯或少层石墨烯；所述基底为Si、Si/SiO2、金属中的一种。
5.根据权利要求1所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，所述脉冲激光为飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光中的一种；所述脉冲激光的能量范围为0.5-200mJ/cm2。
6.根据权利要求1所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，所述原子层选择性沉积的种类为金属、氧化物、氮化物、多组分化合物中的一种；所述原子层选择性沉积的衬底温度为50-400℃。
7.根据权利要求1所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，所述石墨烯化学修饰方法能应用于制备石墨烯器件。
8.根据权利要求7所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，所述制备石墨烯器件包括：
对石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；
对所述光化学修饰后的石墨烯及基底进行绝缘栅介质的原子层选择性沉积；
对沉积绝缘栅介质后的石墨烯及基底采用脉冲激光直写进行图形化的光化学修饰；
对光化学修饰后的石墨烯及基底进行金属电极的原子层选择性沉积。
9.根据权利要求8所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，在所述光化学修饰和所述原子层选择性沉积前，采用惰性气体真空烘烤所述石墨烯及基底。
10.根据权利要求8所述的石墨烯化学修饰方法，其特征在于，所述绝缘栅介质为氧化铝、氧化铪、氧化钛、多组分氧化物中的一种；所述金属电极为铝、铂、金、镍、铬中的一种。
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