CN111217360A - 一种单层大面积石墨烯的制备方法 - Google Patents
一种单层大面积石墨烯的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111217360A CN111217360A CN201811425759.9A CN201811425759A CN111217360A CN 111217360 A CN111217360 A CN 111217360A CN 201811425759 A CN201811425759 A CN 201811425759A CN 111217360 A CN111217360 A CN 111217360A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- layer
- boron nitride
- hexagonal boron
- metal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 61
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- 239000002356 single layer Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 24
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 22
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical group C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical group [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- KZPXREABEBSAQM-UHFFFAOYSA-N cyclopenta-1,3-diene;nickel(2+) Chemical compound [Ni+2].C=1C=C[CH-]C=1.C=1C=C[CH-]C=1 KZPXREABEBSAQM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 2
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 8
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 9
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
- C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2204/00—Structure or properties of graphene
- C01B2204/02—Single layer graphene
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种单层大面积石墨烯的制备方法，其利用h‑BN和石墨烯间的低晶格失配度，通过PECVD降低实验温度并提升反应速率，直接在介电基底上淀积出了高质量的单层石墨烯，实现大尺寸单层石墨烯的制备。该方法可以克服现有制备过程中的层数不均匀、反应速率慢、需要温度高等问题，为石墨烯的大规模应用打下良好的基础。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺薄膜制备技术领域，尤其涉及一种单层大面积石墨烯的制备方法，尤其是一种以h-BN为介质的单层石墨烯制备技术。
背景技术
作为21世纪备受瞩目的材料,石墨烯兼具优异的电、热、光与力学性质,具有十分广阔的研究价值与应用价值。石墨烯是一种由碳原子以六方蜂房晶格结构形成的二维层状纳米材料，其碳原子以sp2轨道杂化方式成键,组成六边形基本结构单元，晶格常数C—C键长
单层石墨烯厚度
单层石墨烯为一种零带隙的半金属性材料,其色散关系曲线为线性锥形,导带与价带在布里渊区顶点处相交。石墨烯的载流子有效质量接近于零,而其在电场下的迁移率可达到105cm2·V-1·s-1,远远高于传统硅基材料的载流子迁移率。
为了满足科学研究与工业应用的需求,制备大面积、高质量的石墨烯具有十分重要的意义。人们发展出了多种制备石墨烯的方法，如微机械剥离法、化学剥离法、化学氧化还原法、化学气相淀积(CVD)法等。然而在实际应用的过程中，在金属表面形成的石墨烯一般需要通过有机聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)辅助法将其转移至介电层上，才可以进行下一步的微电子元器件组装。转移过程不可避免地引入了褶皱、裂纹、破损以及聚合物/金属残留，严重损害了石墨烯的性能，同时复杂的转移过程为石墨烯器件的制备增加了成本。因而直接在介电基底上制备大面积、高质量的石墨烯薄膜具有重要意义。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种单层大面积石墨烯的制备方法，其可根据需要制备大面积h-BN上的单层石墨烯，改善了目前单层石墨烯面积小、制备温度高、反应速率慢的缺点。
为解决现有技术中存在的问题，采用的具体技术方案是：
一种单层大面积石墨烯的制备方法，其包括以下步骤：
S1、在相同条件下，利用化学气相淀积法(CVD)，在两个催化金属层上分别生长一层较厚的六方氮化硼(h-BN)作为介电层，得到两个金属-六方氮化硼体；
S2、将其中一个金属-六方氮化硼体翻转，与另一个金属-六方氮化硼体保持其六方氮化硼(h-BN)面垂直相对进行紧密堆叠；
S3、在反应炉中，采用气态碳源作为前驱物，同时引入气态催化剂，保持六方氮化硼交叠界面与气流方向平行，通过等离子体增强化学气相淀积法(PECVD)在两个六方氮化硼层(h-BN)之间催化生成石墨烯；
S4、生成面积足够大的石墨烯后，停止反应，将紧密接触的两片六方氮化硼层剥离开，即可形成单层大面积石墨烯。
优选的方案，所述介电层的厚度为50～100nm。
进一步优选的方案，所述催化金属层为溶碳性低的金属。
更进一步优选的方案，所述催化金属层为铜。
再进一步优选的方案，所述催化金属层的厚度为50～100nm。
所述两个金属-六方氮化硼体紧密堆叠的距离不超过2nm。由于两个交叠界面间的距离只有纳米级，所以限制了石墨烯垂直方向生长的空间，仅在水平方向上得到大面积的单层结构。
所述气态碳源为甲烷或二茂镍。采用气态碳源可提高反应速率，加快成核速率，同时减少表面污染。
所述气态催化剂为硅烷、镓(Ga)蒸汽、铟(In)蒸汽或铜(Cu)蒸汽。其目的是提高反应速率，增大单层石墨烯面积。
所述步骤S4中紧密接触的两片h-BN的剥离方法为机械剥离法。
通过采用上述方案，本发明的一种单层大面积石墨烯的制备方法与现有技术相比，其技术效果在于：
发明基于未来石墨烯大规模工业化生产的需要，改善了目前石墨烯薄膜生长过程中遇到的成核速度慢、反应温度高、难以形成大面积单层结构的问题，介绍了具体实现步骤。该工艺的主要特点是利用了h-BN和石墨烯的晶格常数极为接近，晶格适配率低的特点，直接在介电基底上淀积出了高质量的单层石墨烯。
这种工艺不但可以充分兼容现有硅基工艺，并且制备出的单层石墨烯具有迁移率高、晶格周期性好的优势；采用h-BN作为介电材料，克服了传统介质(SiO2)中表面悬挂键和体内带点缺陷对石墨烯载流子迁移率及浓度分布的影响，从而大大提高了后续制备的石墨烯晶体管或场效应管的性能，有利于集成电路的进一步发展，为促进我国工业化制备石墨烯材料的发展，早日实现石墨烯器件和集成电路的大规模生产，具有重要意义。
附图说明
图1是本实施例中利用CVD淀积h-BN在金属箔上的示意图；
图2是本实施例中两片h-BN接触方式示意图；
图3是本实施例中通过PECVD生长石墨烯的示意图；
图4是本发明制备单层大面积石墨烯的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的一个实施例，提供了一种单层大面积石墨烯的制备方法。如
图1所示，展示了介电衬底h-BN(金属-六方氮化硼体)101的结构，每一个介电衬底h-BN(金属-六方氮化硼体)101包括金属箔1001、位于金属箔之上的h-BN层1002。
图2展示两片介电衬底的h-BN(金属-六方氮化硼体)101的接触方式，如图2所示，将两片介电衬底的h-BN(金属-六方氮化硼体)的h-BN层1002相对，进行紧密堆叠。
图3展示了PECVD生长石墨烯的示意图，包括整个反应炉结构，反应物所放位置，以及所通气体示意。
以下按照图4中所示的单层大面积石墨烯的制备步骤，结合图1至3，针对具体的一例进行说明。
首先，在步骤S11中，通过CVD在金属箔上淀积一定厚度的h-BN。金属箔可选择溶碳性低的金属，如铜Cu等。作为具体说明，如图1所示，本实例选择铜Cu作为衬底金属箔1001，通过CVD淀积在铜Cu上的六角氮化硼h-BN层为1002，金属箔1001的厚度为100nm，h-BN层1002的厚度为50nm。
接下来，在步骤S12中，翻转两片介电材料，使其h-BN面紧密接触，如图2所示。之后将紧密接触的两片介电材料放入PECVD反应炉中，气体可沿着h-BN交界面从阴极到达阳极，如图3所示。
步骤S13中，根据所需面积，反应相应时长，在本实例中，控制反应时间2小时。
最后通过步骤S14，将两片介电材料沿h-BN接触方向机械剥离开，即可得到单层大面积石墨烯。
作为本发明的其它较佳实施例，在结构与方法与上述实施例相同的情况下，唯一不同的是，可以选择金属箔1001的厚度为50nm，h-BN层1002的厚度为100nm，或选择金属箔1001的厚度为80nm，h-BN层1002的厚度为80nm，作为新的实施例。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、在相同条件下，利用化学气相淀积法，在两个催化金属层上分别生长一层六方氮化硼作为介电层，得到两个金属-六方氮化硼体；
S2、将其中一个金属-六方氮化硼体翻转，与另一个金属-六方氮化硼体保持六方氮化硼面垂直相对进行紧密堆叠；
S3、在反应炉中，采用气态碳源作为前驱物，同时引入气态催化剂，保持六方氮化硼交叠界面与气流方向平行，通过等离子体增强化学气相淀积法，在两个六方氮化硼层之间催化生成石墨烯；
S4、生成面积足够大的石墨烯后，停止反应，将紧密接触的两片六方氮化硼层剥离开，即可形成单层大面积石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，所述介电层的厚度为50～100nm。
3.根据权利要求1所述的一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，所述催化金属层为溶碳性低的金属。
4.根据权利要求3所述的一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，所述催化金属层为铜。
5.根据权利要求1所述的一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，所述催化金属层的厚度为50～100nm。
6.根据权利要求1所述的一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，所述两个金属-六方氮化硼体紧密堆叠的距离不超过2nm。
7.根据权利要求1所述的一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，所述气态碳源为甲烷或二茂镍。
8.根据权利要求1所述的一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，所述气态催化剂为硅烷、镓蒸汽、铟蒸汽或铜蒸汽。
9.根据权利要求1所述的一种单层大面积石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中紧密接触的两片六方氮化硼层的剥离方法为机械剥离法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811425759.9A CN111217360A (zh) | 2018-11-27 | 2018-11-27 | 一种单层大面积石墨烯的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811425759.9A CN111217360A (zh) | 2018-11-27 | 2018-11-27 | 一种单层大面积石墨烯的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111217360A true CN111217360A (zh) | 2020-06-02 |
Family
ID=70809137
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811425759.9A Pending CN111217360A (zh) | 2018-11-27 | 2018-11-27 | 一种单层大面积石墨烯的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111217360A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103633024A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-03-12 | 西安电子科技大学 | 一种大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备方法 |
| US20140120270A1 (en) * | 2011-04-25 | 2014-05-01 | James M. Tour | Direct growth of graphene films on non-catalyst surfaces |
| US20140264282A1 (en) * | 2013-03-18 | 2014-09-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Heterogeneous layered structure, method of preparing the heterogeneous layered structure, and electronic device including the heterogeneous layered structure |
| US20180002831A1 (en) * | 2015-03-26 | 2018-01-04 | Shanghai Institute Of Microsystem And Information Technology, Chinese Academy Of Sciences | Growth method of graphene |
-
2018
- 2018-11-27 CN CN201811425759.9A patent/CN111217360A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140120270A1 (en) * | 2011-04-25 | 2014-05-01 | James M. Tour | Direct growth of graphene films on non-catalyst surfaces |
| US20140264282A1 (en) * | 2013-03-18 | 2014-09-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Heterogeneous layered structure, method of preparing the heterogeneous layered structure, and electronic device including the heterogeneous layered structure |
| CN103633024A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-03-12 | 西安电子科技大学 | 一种大规模h-BN介质石墨烯集成电路制备方法 |
| US20180002831A1 (en) * | 2015-03-26 | 2018-01-04 | Shanghai Institute Of Microsystem And Information Technology, Chinese Academy Of Sciences | Growth method of graphene |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈集思等: "介电层上石墨烯的制备", 《化学学报》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Geng et al. | Recent advances in growth of novel 2D materials: beyond graphene and transition metal dichalcogenides | |
| Chen et al. | Direct CVD growth of graphene on traditional glass: methods and mechanisms | |
| Wang et al. | Direct CVD graphene growth on semiconductors and dielectrics for transfer‐free device fabrication | |
| Yu et al. | Synthesis of high quality two-dimensional materials via chemical vapor deposition | |
| Song et al. | Graphene/h‐BN heterostructures: recent advances in controllable preparation and functional applications | |
| Shi et al. | Synthesis of few-layer hexagonal boron nitride thin film by chemical vapor deposition | |
| Ren et al. | Van der Waals epitaxy of nearly single-crystalline nitride films on amorphous graphene-glass wafer | |
| JP5632359B2 (ja) | 金属酸化物基体上でのナノ構造体の製造方法、金属酸化物基体上への薄膜の付着方法、および薄膜装置 | |
| Kun et al. | Graphene transparent electrodes grown by rapid chemical vapor deposition with ultrathin indium tin oxide contact layers for GaN light emitting diodes | |
| CN103028737B (zh) | 制备石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的方法 | |
| CN102097297B (zh) | 一种电场诱导的在石墨烯表面原子层淀积高k栅介质的方法 | |
| CN112853290B (zh) | 一种大面积二硫化钼薄膜的制备方法 | |
| Jia et al. | Toward the commercialization of chemical vapor deposition graphene films | |
| TW201337029A (zh) | 化學氣相沈積生成石墨烯之方法 | |
| CN113832432B (zh) | 一种二维化合物半导体薄膜的制备方法 | |
| Jung et al. | Interface engineering for high performance graphene electronic devices | |
| CN103183333A (zh) | 石墨烯层的形成方法 | |
| CN108342716A (zh) | 等离子体增强化学气相沉积制备二维材料的系统及方法 | |
| Juma et al. | Direct growth of hexagonal boron nitride on non-metallic substrates and its heterostructures with graphene | |
| CN104108706A (zh) | 一种大面积优质氮掺杂石墨烯及其制备方法与应用 | |
| CN103227194A (zh) | 一种大尺寸石墨烯堆叠结构晶圆及其制备方法 | |
| TW201543698A (zh) | 薄膜太陽電池之製造方法及薄膜太陽電池 | |
| Lu et al. | Single-step direct growth of graphene on Cu ink toward flexible hybrid electronic applications by plasma-enhanced chemical vapor deposition | |
| Ma et al. | Progress of graphene growth on copper by chemical vapor deposition: Growth behavior and controlled synthesis | |
| Kwon et al. | Eco-friendly graphene synthesis on Cu foil electroplated by reusing Cu etchants |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20231117 |