CN206250069U - 单层石墨烯薄膜基复合结构、超级电容器、led器件、太阳能电池、光催化器件及传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种单层石墨烯薄膜基复合结构、超级电容器、LED器件、太阳能电池、光催化器件及传感器，该结构包括单层石墨烯薄膜和在单层石墨烯薄膜表面的纳米线垂直阵列；该纳米线垂直阵列包括至少两层纳米线子阵列，至少两层纳米线子阵列的顶部高度不相同，并且相同层的纳米线子阵列的顶部高度相同，使得纳米线垂直阵列具有高低起伏的顶部。本实用新型的单层石墨烯薄膜基复合结构，兼具快速载流子迁移率、高的比表面积的优点，并且可以提高单位时间内的吸附或释放电荷的数量以及增大电荷存储量。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种单层石墨烯薄膜基复合结构及半导体器件。
背景技术
随着半导体技术的发展和技术节点的不断降低，传统的硅材料已经表现出诸多限制和缺陷，由于石墨烯是目前世界上最薄、强度最高、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，所以石墨烯成为理想的硅的替代品。相比于多层石墨烯，极薄的单层石墨烯薄膜表现出更为优秀的导电导热性能和更高的强度，受到越来越多的关注和研究。极薄的单层石墨烯薄膜通常可采用高温分解法和化学气相沉积法等来制备；然而，受到制备条件的限制，由于溶液法的成本较低且利于大规模生产，传统石墨烯基复合材料多采用溶液法制备的多层石墨烯薄膜，多层石墨烯薄膜通常是采用溶液法将氧化石墨烯还原成石墨烯，业界成为还原氧化石墨烯，还原氧化石墨烯上具有较多的官能团和缺陷，还原氧化石墨烯的性能仍然不及单层石墨烯薄膜的性能，并且还原氧化石墨烯的导电率远小于单层石墨烯薄膜的导电率，如果想提高最终器件的质量和载流子迁移性能，就需要采用单层石墨烯薄膜，因此，单层石墨烯薄膜是最具有潜力替代硅来应用于半导体技术领域中。
由于单层石墨烯薄膜是零禁带宽度，而半导体材料是要求具有一定的禁带宽度的，如果能够利用单层石墨烯薄膜的上述优点来应用于半导体技术领域中将会带来更大的技术进步。
实用新型内容
为了克服以上问题，本实用新型旨在提供一种单层石墨烯薄膜基复合结构及其制备方法，从而实现将单层石墨烯薄膜的优点应用于半导体技术中的目的。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种单层石墨烯薄膜基复合结构，包括单层石墨烯薄膜和在单层石墨烯薄膜表面的纳米线垂直阵列；该纳米线垂直阵列包括至少两层纳米线子阵列，至少两层纳米线子阵列的顶部高度不相同，并且同一层的纳米线子阵列的纳米线顶部高度相同，使得纳米线垂直阵列具有高低起伏的顶部。
优选地，所述纳米线垂直阵列的底部通过共价键与所述单层石墨烯表面相键合连接。
优选地，不同层的所述纳米线子阵列之间互不穿插。
优选地，不同层的纳米线子阵列之间按照高低顺序依次排列。
优选地，每层所述纳米线子阵列排布成不封闭图形。
优选地，每层所述纳米线子阵列呈一维阵列排布。
优选地，每层所述纳米线子阵列排布成封闭图形，不同层的纳米线子阵列构成同心封闭图形。
优选地，按照高低顺序依次排列不同层的纳米线子阵列构成一个阵列单元，在一维方向上将所述阵列单元重复排列，从而构成纳米线垂直阵列图案。
优选地，按照高低顺序依次排列不同层的纳米线子阵列构成一个不封闭图形阵列单元或同心封闭图形阵列单元，将该不封闭图形阵列单元或同心封闭图形阵列单元进行倍数递增的多次放大或倍数递减的多次缩小，从而以该不封闭图形阵列单元或同心封闭图形阵列单元的几何中心得到纳米线垂直阵列构成的同心不封闭图案或同心封闭图案。
优选地，所述同心封闭图案为同心圆、同心环或同心回型。
优选地，每层纳米线子阵列的材料不相同。
优选地，其中至少一层纳米线子阵列为II-VII族半导体纳米线阵列。
优选地，其中一层纳米线子阵列为钛合金纳米线子阵列。
优选地，钛合金纳米线子阵列的高度为高度最高的子阵列。
优选地，其中一层纳米线子阵列为锌合金纳米线子阵列。
优选地，锌合金纳米线子阵列为高度最低的纳米线子阵列。
优选地，所述纳米线子阵列的材料相同。
优选地，所述纳米线子阵列的材料选自II-VII族纳米线阵列的一种。
为了达到上述目的，本实用新型还提供了一种超级电容器，其包括上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
为了达到上述目的，本实用新型还提供了一种LED器件，其包括上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
为了达到上述目的，本实用新型还提供了一种太阳能电池，其包括上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
为了达到上述目的，本实用新型还提供了一种光催化器件，其包括上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
为了达到上述目的，本实用新型还提供了一种传感器，其包括上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
本实用新型的单层石墨烯薄膜基复合结构，采用在单层石墨烯薄膜上形成有纳米线垂直阵列，纳米线垂直阵列包括顶部高度不同的纳米线子阵列，具有如下优势：首先，单层石墨烯薄膜的载流子迁移率非常高，可以增加单层石墨烯薄膜基复合结构的导电率；其次，采用底部与单层石墨烯薄膜通过共价键连接的且具有不同高度的纳米线子阵列，可以利用纳米线子阵列的高度差来调节该复合结构的光学、电化学等性能，使得该复合结构当应用于发光方面时具有可调谐性，当应用于电池方面时，具有更大的电荷存储能力和充放电速度，当应用于传感方面时，提高传感器灵敏度，当应用于光催化方面时，具有多重光催化效果。
附图说明
图1为本实用新型的一个较佳实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构的截面结构示意图
图2为本实用新型的一个较佳实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构的俯视结构示意图
图3为本实用新型的一个较佳实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构的俯视结构示意图
图4为本实用新型的一个较佳实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构的俯视结构示意图
图5为本实用新型的一个较佳实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构的俯视结构示意图
图6为本实用新型的一个较佳实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构的俯视结构示意图
图7为本实用新型的一个较佳实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构的制备方法的流程示意图
具体实施方式
为使本实用新型的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本实用新型的内容作进一步说明。当然本实用新型并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。
以下结合附图1-7和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
本实施例中，请参阅图1，图1中每个虚线框中的阵列表示同一层纳米线子阵列；本实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构中，在单层石墨烯薄膜G表面具有纳米线垂直阵列；该纳米线垂直阵列包括至少两层纳米线子阵列，至少两层纳米线子阵列的顶部高度不相同，这里有四层纳米线子阵列1、2、3和4，这四层纳米线子阵列1、2、3和4的顶部高度不相同，并且同一层纳米线子阵列的纳米线的顶部高度相同，例如，纳米线子阵列1中的纳米线的顶部高度相同，纳米线子阵列2中的纳米线的顶部高度相同，纳米线子阵列3中的纳米线的顶部高度相同，纳米线子阵列4中的纳米线的顶部高度相同，这些顶部高度不同的多层纳米线子阵列使得纳米线垂直阵列具有高低起伏的顶部。较佳的，为了使纳米线垂直阵列顶部的起伏起到增加比表面积的作用，设置纳米线子阵列1、2、3、4之间的高度呈等比排列，例如，纳米线子阵列1、2、3、4的高度比为1:2:4:8。这里，纳米线垂直阵列的底部可以通过化学键，例如共价键，与单层石墨烯薄膜G表面相键合连接。
本实施例中，请再次参阅图1，不同层的纳米线子阵列1、2、3、和4之间可以互不穿插，不同层的纳米线子阵列1、2、3、和4之间按照高低顺序依次排列。每层纳米线子阵列1、2、3、和4可以排布成不封闭的图形，例如最简单的是呈一维阵列排布如图2中左边虚线框图形所示，也可以呈圆弧形如图3中左边虚线框图形所示；每层纳米线子阵列1、2、3、和4还可以排布成封闭图形，例如圆环，如图4中左边虚线框图形所示，不同层的纳米线子阵列1、2、3、和4共同构成同心封闭图形，如图4中右边的虚线框中所示的同心圆。此外，这些纳米线子阵列1、2、3、和4又可以作为一个单元以重复排列或缩放的方式构成其它图案。
具体的，请参阅图2，每层纳米线子阵列呈一维阵列排布如图2左边虚线框所示，按照高低顺序依次排列不同层的纳米线子阵列构成一个阵列单元(可以参阅图1的截面结构图)，在一维方向上将该阵列单元重复排列，如图图2中箭头右边的每个虚线框中的矩阵图形所示为一个阵列单元，从而构成纳米线垂直阵列图案。请参阅图3，每层纳米线子阵列呈不封闭弧形如图3左边虚线框所示的圆弧，按照高低顺序依次排列不同层的纳米线子阵列构成一个阵列单元(可以参阅图1的截面结构图)，在一维方向上将该阵列单元重复排列，如图3中箭头右边的每个虚线框中的圆弧阵列所示为一个阵列单元，从而构成纳米线垂直阵列图案；请参阅图4，每层纳米线子阵列排布成封闭图形如图4左边虚线框所示的圆，按照高低顺序依次排列不同层的纳米线子阵列构成一个同心封闭图形作为阵列单元，如图4中箭头右边的每个虚线框中的同心圆，在一维方向上将该阵列单元重复排列，从而构成纳米线垂直阵列图案。此外，请参阅图5，每层纳米线子阵列呈不封闭弧形如图3左边虚线框所示的圆弧，将该不封闭图形阵列单元进行倍数递增的多次放大或倍数递减的多次缩小，从而以该不封闭图形阵列单元的几何中心得到纳米线垂直阵列构成的同心不封闭图案，如图5中所示的每个虚线框中表示为一个阵列单元，经放大得到扇形阵列图形。请参阅图6，按照高低顺序依次排列不同层的纳米线子阵列构成一个同心封闭图形作为阵列单元如图4中右边虚线框中所示的同心圆，将该同心封闭图形阵列单元进行倍数递增的多次放大或倍数递减的多次缩小，从而以该同心封闭图形阵列单元的几何中心得到纳米线垂直阵列构成的同心封闭图案，如图6中所示，内部的虚线框中的图形为同心圆阵列单元，外部虚线框和内部虚线框之间的为放大的同心圆阵列单元。本实用新型中，同心封闭图案还可以为同心环、同心回型等，同心环包括同心的非圆环，例如椭圆环等。
本实用新型中，每层纳米线子阵列的材料可以相同也可以不相同；在本实施例中，每层纳米线子阵列的材料选择不相同；其中至少一层纳米线子阵列为II-VII族半导体纳米线阵列，较佳的，其中一层纳米线子阵列可以为钛合金纳米线子阵列；钛合金纳米线子阵列的高度为高度最高的子阵列，此时，钛合金纳米线子阵列由于高度最高，在该纳米线垂直阵列中发挥主要作用，也即是该单层石墨烯薄膜基纳米线垂直阵列中最高层显示的是钛合金纳米线的特性，并且其中另一层纳米线子阵列为锌合金纳米线子阵列，锌合金纳米线子阵列为高度最低的纳米线子阵列，此时，锌合金纳米线子阵列由于高度最低，该单层石墨烯薄膜基纳米线垂直阵列中最高层显示的是钛合金纳米线的特性，最底层显示的是锌合金纳米线的特性，这样不仅兼具钛合金纳米线的特性和锌合金纳米线的特性，还使得钛合金纳米线的特性和锌合金纳米线的特性具有选择性。此外，本实施例中的纳米线子阵列的材料也可以相同，较佳的，纳米线子阵列的材料选自II-VII族半导体纳米线阵列的一种，可以为钛合金纳米线子阵列，或者锌合金纳米线子阵列。
这些顶部高度不同的每层纳米线子阵列构成的纳米线垂直阵列不仅可以使单层石墨烯表面的比表面积更大，还增加了单层石墨烯表面的化学活性，当具有这种纳米线垂直阵列的单层石墨烯薄膜结构应用于电化学溶液中时，能够为金属离子例如锂离子或钠离子的穿插提供更大的比表面积，并且使得金属离子的穿插具有阶梯性和时序性，例如锂离子先插入最高的纳米线子阵列中，再从高到低依次插入较低的纳米线子阵列中，从而使得单层石墨烯薄膜在电荷吸附和释放方面相对于传统的电池具有更多路径和单位时间内具有更多的电荷吸附或释放，也即是提高了单层石墨烯薄膜的电容存储能力和充放电能力；当具有这种纳米线垂直阵列的单层石墨烯薄膜结构应用于太阳能电池中时，例如作为电极，可以提高载流子迁移率和多重光吸收能力，减少光漫反射，从某种程度上，可以取消现有的太阳能电池制备工艺中的表面制绒工序，因为本实施例的单层石墨烯薄膜基复合结构上的纳米线垂直阵列的高低不平的顶部就相当于绒面，尽管这种绒面是微观上的。当具有这种纳米线垂直阵列的单层石墨烯薄膜结构应用于LED中时，特别是纳米线垂直阵列的材料为电致发光材料时，石墨烯薄膜可以提供快速的载流子迁移率，同时纳米线垂直阵列经电致发光后，顶部高的纳米线子阵列发出的光和顶部较低的纳米线子阵列发出的光之间形成干涉共振从而得到所需要的更加强烈的光线。当具有这种纳米线垂直阵列的单层石墨烯薄膜结构应用于光传感方面时，单层石墨烯薄膜提供更快的载流子迁移率，同时纳米线垂直阵列的起伏顶部可以提高对探测面积，提高传感器的灵敏度和效率。此外当应用于光催化方面时，单层石墨烯薄膜的快速载流子迁移率能够提高探测灵敏度，具有多重光催化效果。
请参阅图7，本实施例中还提供了一种上述的单层石墨烯薄膜基复合结构的制备方法，其包括：
步骤01：制备单层石墨烯薄膜；
具体的，可以采用SiC热分解法、金属基底上的化学气相沉积法来制备高质量的真正的单层石墨烯薄膜，单层石墨烯薄膜的厚度可以为1～4nm，较佳的，为2nm。
步骤02：在单层石墨烯薄膜表面划分出每一层纳米线子阵列区域，并且在单层石墨烯薄膜上形成一层掩膜；
具体的，根据所需要制备的纳米线子阵列的图案以及所需要的最终的纳米线垂直阵列的图案来涉及每一层纳米线子阵列区域的范围；掩膜的形成可以采用一有机聚合物薄膜例如PMMA或无机薄膜作为掩膜，关于有机薄膜可以采用旋涂方式，关于无机薄膜，可以采用另一层石墨烯薄膜或碳薄膜通过吸附作用形成于步骤01的单层石墨烯薄膜上。
步骤03：刻蚀去除所需生长的一层纳米线子阵列区域上的掩膜，保留其它区域的掩膜；
具体的，可以但不限于采用等离子干法刻蚀工艺来去除所需生长的一层纳米线子阵列区域上的掩膜，例如，再涂覆一层光刻胶作为干法刻蚀的掩膜来保护其它无需刻蚀的区域；如果掩膜本身的材料为光刻胶，可以采用曝光和显影的方式来去除无需刻蚀的区域，这里当然在曝光和显影之前还制备出需曝光的那一层纳米线子阵列区域的图案。
步骤04：在暴露的单层石墨烯薄膜表面生长一层纳米线子阵列；
具体的，可以采用常规的水热法、化学沉积法、电化学镀等来制备该层纳米线子阵列，由于在这些生长环境中，单层石墨烯薄膜上的C键与纳米线的前驱体的金属离子发生键合例如形成共价键，从而使得前驱体在单层石墨烯薄膜表面形核，这样相当于后续形成的纳米线垂直阵列的底部通过共价键与单层石墨烯薄膜表面相键合并形核；如果纳米线子阵列为锌合金纳米线子阵列或钛合金纳米线子阵列，关于锌合金纳米线子阵列、或钛合金纳米线子阵列的制备均可以采用常规的水热法或化学气相沉积、电化学镀法来制备，这是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。
步骤05：重复步骤03-04，直至完成单层石墨烯薄膜表面的所有的纳米线子阵列的制备；其中，先生长的一层纳米线子阵列高于后生长的一层纳米线子阵列。
具体的，例如，首先形成的一层纳米线子阵列在后续的其它层纳米线子阵列的生长过程中也会继续生长，从而使得先形成的纳米线子阵列的顶部高度高于后形成的纳米线子阵列的顶部高度，以形成上述的包括至少两层纳米线子阵列的顶部高度不相同的纳米线垂直阵列结构。
此外，本实施例中还提供了一种超级电容器，其包括本实施例的上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。超级电容器至少一个电极采用本实施例的上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
本实施例中还提供了一种LED器件，其包括本实施例的上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。在本实施例的LED器件中，上述的单层石墨烯薄膜基复合结构可以作为LED的电极，也可以作为LED的PN结的一个结。
本实施例中还提供了一种太阳能电池，其包括本实施例的上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。在本实施例中，上述的单层石墨烯薄膜基复合结构可以作为太阳能电池的电极，或者作为太阳能电池的PN结的一个结。
本实施例中还提供了一种光催化器件，其包括本实施例的上述的单层石墨烯薄膜基复合结构。在本实施例中，上述的单层石墨烯基复合结构可以作为光催化器件的催化单元用于降解细菌等有机材料。
本实施例中还提供了一种传感器，其包括本实施例的上述单层石墨烯薄膜基复合结构。在本实施例中，上述的单层石墨烯基复合结构作为传感器的探测单元来探测光、气体等外界环境的变化。
虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本实用新型，本领域的技术人员在不脱离本实用新型精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本实用新型所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (23)
1.一种单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，包括单层石墨烯薄膜和在单层石墨烯薄膜表面的纳米线垂直阵列；所述纳米线垂直阵列包括至少两层纳米线子阵列，至少两层纳米线子阵列的顶部高度不相同，并且同一层纳米线子阵列的纳米线顶部高度相同，使得纳米线垂直阵列具有高低起伏的顶部。
2.根据权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，所述纳米线垂直阵列的底部通过共价键与所述单层石墨烯表面相键合连接。
3.根据权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，不同层的所述纳米线子阵列之间互不穿插。
4.根据权利要求3所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，不同层的纳米线子阵列之间按照高低顺序依次排列。
5.根据权利要求4所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，每层所述纳米线子阵列排布成不封闭图形。
6.根据权利要求5所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，每层所述纳米线子阵列呈一维阵列排布。
7.根据权利要求4所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，每层所述纳米线子阵列排布成封闭图形，不同层的纳米线子阵列构成同心封闭图形。
8.根据权利要求5或7所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，按照高低顺序依次排列不同层的纳米线子阵列构成一个阵列单元，在一维方向上将所述阵列单元重复排列，从而构成纳米线垂直阵列图案。
9.根据权利要求5或7所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，按照高低顺序依次排列不同层的纳米线子阵列构成一个不封闭图形阵列单元或同心封闭图形阵列单元，将该不封闭图形阵列单元或同心封闭图形阵列单元进行倍数递增的多次放大或倍数递减的多次缩小，从而以该不封闭图形阵列单元或同心封闭图形阵列单元的几何中心得到纳米线垂直阵列构成的同心不封闭图案或同心封闭图案。
10.根据权利要求9所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，所述同心封闭图案为同心圆、同心环或同心回型。
11.根据权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，每层纳米线子阵列的材料不相同。
12.根据权利要求11所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，其中至少一层纳米线子阵列为II-VII族半导体纳米线阵列。
13.根据权利要求12所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，其中一层纳米线子阵列为钛合金纳米线子阵列。
14.根据权利要求13所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，钛合金纳米线子阵列的高度为高度最高的子阵列。
15.根据权利要求12所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，其中一层纳米线子阵列为锌合金纳米线子阵列。
16.根据权利要求15所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，锌合金纳米线子阵列为高度最低的纳米线子阵列。
17.根据权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，所述纳米线子阵列的材料相同。
18.根据权利要求17所述的单层石墨烯薄膜基复合结构，其特征在于，所述纳米线子阵列的材料选自II-VII族纳米线阵列的一种。
19.一种超级电容器，其特征在于，包括权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
20.一种LED器件，其特征在于，包括权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
21.一种太阳能电池，其特征在于，包括权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
22.一种光催化器件，其特征在于，包括权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
23.一种传感器，其特征在于，包括权利要求1所述的单层石墨烯薄膜基复合结构。
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