CN107604336A - Si基Ge掺杂石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料制备技术领域，提供了一种Si基Ge掺杂石墨烯复合材料的制备方法，采用离子束溅射法制备Si基Ge掺杂石墨烯，所述方法包括以下步骤：将Si基石墨烯基片放入生长室，抽真空后通过Ge沉积（200~800℃）、退火(0~30min)工艺获得Si基Ge掺杂石墨烯复合材料。本发明优势：Si基复合材料可与现行成熟Si微电子工艺兼容；实现了Ge对石墨烯中C原子的取代掺杂，形成Ge‑C键合；避免化学法在原子周围产生支链，及支链势垒影响载流子的输运特性。本发明的复合材料具有高载流子浓度和迁移率，可用于微电子器件、太阳能电池及红外探测等领域。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种Si基Ge掺杂石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术
Ge系半导体纳米材料因具有优异的物理化学性质，在能量转换和储能器件领域拥有巨大的应用价值。然而Ge系纳米材料的载流子输运特性较低是其应用中的缺点，可利用复合材料的性能叠加效应来进行改善。石墨烯是一种理想的二维材料，具有优异的电学、力学和热学性能，在电子器件、光电器件、储能等诸多领域具有广泛的应用前景。但石墨烯没有能带间隙，其导电性能不能像传统半导体一样被控制阻碍了石墨烯的应用。掺杂是调控石墨烯电学特性的有效途径，通常通过取代掺杂和功能化吸附对石墨烯进行掺杂可实现石墨烯与相关材料更为广泛的应用。例如据文献报道，Ge量子点嵌入石墨烯可改善锂离子电池阳极材料的比容量。
本发明涉及的Si基Ge掺杂石墨烯复合材料在与成熟Si微电子工艺具有兼容性的同时，不但可以提高Ge系纳米材料的载流子输运特性，还能打开石墨烯的能带隙、改变石墨烯的电子结构、提高石墨烯的自由载流子密度，可在微电子器件、太阳能电池、红外探测等领域广泛应用。
当前Ge系纳米材料的可控制备仍是技术难点，同时Ge掺杂石墨烯复合材料的制备也未有报道。因此，本发明提供的Si基Ge掺杂石墨烯复合材料的制备方法具有重要价值。
发明内容
本发明的目的在与提供一种解决现有技术存在问题，并与现行Si微电子工艺兼容的Ge掺杂石墨烯复合材料的制备方法。
本发明通过下列技术方案实现：
本发明实施方案采用离子束溅射制备Si基Ge掺杂石墨烯复合材料，所述方法包括以下步骤：将预处理过的Si基石墨烯基片放入溅射系统生长室内，抽本底真空达10-4后经过Ge沉积及退火工艺获得Si基Ge掺杂石墨烯复合材料。
所述Si基为Si或Si/SiO2基底，其中基底Si与石墨烯之间具有30~50nm的Si缓冲层，基底Si/SiO2上SiO2缓冲层厚度应≤560nm。
所述Si基石墨烯基片尺寸需符合Ø≤50mm，δ≤500um的要求。
所述复合材料制备过程还包括采用N2对Si基石墨烯基片进行预处理。
所述采用离子束溅制备过程中Ge沉积工艺的步骤为：抽本底真空为3.0×10-4Pa后升温至600℃除气10~30min，调节生长温度（200~800℃），通入Ar，待气压达到3.0×10-2 Pa后，开始溅射沉积Ge（沉积速率约0.1~0.2Å/s）。
所述退火工艺可选择原位退火或后退火，退火时间为0~30min。
所述退火工艺可调控复合材料上层Ge纳米岛的尺寸及密度，可改善复合材料上层Ge膜的结晶度。
本发明实施方案有以下技术优势和技术效果：通过离子束溅射法制备Si基Ge掺杂石墨烯复合材料的工艺简单；可实现Ge对石墨烯中C原子的取代掺杂，形成Ge-C键合，获得具有电荷掺杂效应的Si基Ge掺杂石墨烯复合材料；可避免化学法在原子周围带来的支链，及支链势垒影响载流子的输运特性。本发明实施获得的Si基Ge掺杂石墨烯复合材料具有高载流子浓度和迁移率，可用于微电子器件、太阳能电池及红外探测等众多领域。
附图说明
图1是本发明实施例中Ge纳米岛的三维AFM图；
图2是本发明实施例制备复合材料的XPS图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步详细说明，具体描述仅用于解释本发明而不是限定本发明。
本发明提供了一种离子束溅射技术制备Si基Ge掺杂石墨烯复合材料的方法，本实施例所述制备方法包括以下步骤：
1．采用高纯N2清洁Si(111)/石墨烯基片表面后迅速放置到FJL560Ⅲ型超高真空离子束溅射设备生长室中；
2．抽本底真空至3.0×10-4Pa，升温至600℃除气15min后通入Ar；
3. 待生长室内气压达到3.0×10-2 Pa 后，调节生长温度至500℃，采用0.2Å/s的沉积速率进行Ge沉积；
4．经过180S的溅射生长后，对所得材料进行原位退火15min，完成Si基Ge掺杂石墨烯复合材料的制备。
本实施例中制备的复合材料最上层为Ge纳米岛状结构，其三维AFM图如图1所示，由AFM测试结果可知，实施例条件下Ge纳米岛的密度可达109/cm2, 高度集中分布在4~6nm，底宽集中分布在250~300nm。图2为本发明实施例制备复合材料的XPS图，图中的Ge-C键说明Ge对石墨烯中C原子存在取代掺杂，实施例制备的Si基Ge掺杂石墨烯复合材料具有电荷掺杂效应。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，不能限制本发明，本发明权利要求中的内容均为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.Si基Ge掺杂石墨烯复合材料的制备方法，Si基Ge掺杂石墨烯复合材料由Si基体，石墨烯、Ge层叠加构成，其中， Si基底为Si、Si/SiO2， Ge层在石墨烯表面以纳米岛状结构、薄膜形式出现，
其步骤为：
(1)将Si/石墨烯基片放入生长室，所述基片尺寸Ø≤50mm，δ≤500um，所述基底Si与石墨烯之间具有30~50nm的Si缓冲层，基底Si/SiO2上SiO2缓冲层厚度应≤560nm；
(2)抽本底真空度为10-4，进行Ge沉积，沉积时基体的温度为200~800℃，沉积速率约0.1~0.2Å/s；
(3)经退火工艺获得Si基Ge掺杂石墨烯复合材料，所述退火工艺为原位退火、后退火的其中一种，退火时间为0~30min。
2.根据权利要求1所述，其特征在于：所述采用离子束溅射法制备Si基Ge掺杂石墨烯复合材料可实现Ge对石墨烯中C原子的取代掺杂，在结合界面处形成Ge-C键合。
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