TW201517126A - 石墨烯特性調整方法 - Google Patents

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Abstract

一種石墨烯特性調整方法，係用以改變石墨烯半導體特性，其包含：一石墨稀薄膜提供步驟，係提供一石墨烯薄膜，該石墨烯薄膜成形於一基板；及一改質步驟，係將該石墨烯薄膜置於真空環境中，以電子束照射該石墨烯薄膜，以獲得一石墨烯材料。

Description

石墨烯特性調整方法
本發明係關於一種石墨烯特性調整方法，特別係一種用以改變石墨烯半導體特性之石墨烯特性調整方法。
石墨烯(graphene)係呈六角型晶格之平面薄膜，為僅具有一個碳原子厚度(約為0.34nm)之二維材料，石墨烯不僅具有高機械強度、熱傳導及高載子轉移率等優異特性，經由半導體特性之調整，更可以用以發展出更薄、導電速度更快之電子元件或電晶體。
習知半導體特性調整方法係可以區分為熱擴散法及離子植入法。其中，該習知熱擴散法係以高溫(≧500℃)驅動需滲雜之原子於半導體薄膜及基材(係結合該半導體薄膜)中進行擴散；惟，該習知熱擴散法必須於高溫環境下進行，容易使半導體薄膜結構產生損傷。而該習知離子植入法則係以高電壓使離子化之元素產生碰撞，進而進行物理性的取代；惟，該習知離子植入法雖然免除高溫環境，卻由於離子化之元素相互碰撞，對半導體薄膜結構產生極大之損傷，因而需再以退火處理(annealing)進行修復。
上述習知半導體特性調整方法，雖然均可以調整半導體薄膜結構特性，惟，受限於石墨烯厚度僅約為0.34nm，若採用該些半導體特性調整方法，將會於石墨烯薄膜上造成極為嚴重之損傷，因此不適用於該些半導體特性調整方法。
又，上述習知半導體特性調整方法需將整片半導體薄膜置於 高溫或高電壓環境，難以針對小面積之石墨烯薄膜進行特性調整。
是以，確實需要提供一種石墨烯特性調整方法，以解決上述問題。
本發明之主要目的係提供一種石墨烯特性調整方法，係調整石墨烯之特性，以提供具有半導體特性之石墨烯材料者。
本發明之再一目的係提供一種石墨烯特性調整方法，係不易對石墨烯材料造成損傷，以簡化後續損傷修復之製程者。
本發明之另一目的係提供一種石墨烯特性調整方法，係針對小面積之石墨烯進行特性調整，以提升石墨烯材料之應用層面者。
為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段及藉由該技術手段所能達到之功效包含有：一種石墨烯特性調整方法，係包含：一石墨烯薄膜提供步驟，係提供一石墨烯薄膜，該石墨稀薄膜成形於一基板；及一改質步驟，係將該石墨烯薄膜置於真空環境中，以電子束照射該石墨烯薄膜，以獲得一石墨烯材料。
本發明之石墨烯特性調整方法，其中，該電子束之加速電壓較佳係50keV，該電子束之照射能量較佳係200~1200μC/cm2，且該電子束之電流強度較佳係70~120pA。
本發明之石墨烯特性調整方法，其中，該石墨烯較佳係以PVD沉積法成形於該基板。
本發明之石墨烯特性調整方法，其中，該基板較佳係矽晶片、電子元件或電晶體。
本發明之石墨烯特性調整方法，係以電子束照射石墨烯薄膜，有效控制該石墨烯薄膜之π鍵鍵結，改變石墨烯薄膜之能帶特性，進 而得到獲得具有半導體特性之石墨烯材料的功效。
本發明之石墨烯特性調整方法，係於低溫環境下以電子束照射石墨烯薄膜，可以降低高溫環境對石墨烯材料造成之損傷，免除後續對受損之石墨烯材料進行修復之步驟，是以達到簡化製程及降低工業成本之功效。
本發明之石墨烯特性調整方法，係採用電子束，具有精準定位及定量之特性，可以針對小面積之改質區域進行電子束掃描，更可以分別控制該電子束之電流強度(70~120pA)、掃描時間(如一個點0.1~4μms)及加速電壓(50keV)，僅需使該電子束之照射能量落於200~1200μC/cm2範圍，即可以達成不同程度之半導體特性調整(即，石墨烯改質程度)，可以滿足不同產品之特性調整需求，為本發明之功效。
第1圖係本試驗各組石墨烯材料之拉曼光譜分析。
第2圖係第1圖之對應電子束之D-band強度及G-band強度值。
第3圖係第1圖之對應電子束之照射能量之D-band、G-band強度比及2D-band、G-band強度比。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 本發明之石墨烯特性調整方法，係包含：一石墨烯薄膜提供步驟及一改質步驟，以獲得一石墨烯材料。
詳而言之，石墨烯薄膜提供步驟係提供一石墨烯薄膜，該石墨烯薄膜係成形於一基板，其中，該基板係可以為欲附著該石墨烯之電子元件或電晶體之表面，其材質可以為矽、玻璃或塑膠，在此不加以設限。
石墨烯係可以利用任意方式成形於基板，例如能夠以化學氣相沉積法、物理氣相沉積法或機械式剝除法成形於該基板，上述方法均為本領域慣用之方法，在此不再贅述。
續將石墨烯薄膜經改質步驟，以獲得石墨烯材料；其中，該改質步驟係將該石墨烯薄膜置於真空環境中，並以電子束照射該石墨烯薄膜；本較佳實施例中，該電子束之加速電壓係50keV，該電子束之照射能量係200~1200μC/cm2，且該電子束之電流強度係為70~120pA。據此，係可以控制該石墨烯薄膜之π鍵鍵結，改變石墨烯薄膜之能帶特性，進而可以獲得具有半導體特性之該石墨烯材料。
為證實本較佳實施例之石墨烯特性調整方法係可以調整石墨烯之半導體特性，本試驗係選擇以矽晶片作為基板，以PVD沉積法使石墨烯成形於該矽晶片，以獲得石墨烯薄膜，續以不同照射能量之電子束照射該石墨烯薄膜，以獲得本試驗各組之石墨烯材料。
請參照第1圖所示，係分別以200μC/cm2(第A1組)、400μC/cm2(第A2組)、600μC/cm2(第A3組)、800μC/cm2(第A4組)、1000μC/cm2(第A5組)、1200μC/cm2(第A6組)照射能量之電子束照射石墨烯薄膜，獲得本試驗各組之石墨烯材料，續以拉曼光譜分析該些石墨烯材料之特徵峰(D-band、G-band及2D-band)，其試驗結果紀錄於第1表。
根據第1表結果顯示，隨著電子束之照射能量增加，石墨烯材料之結晶項(即，G-band)數值大幅降低，缺陷項(即，D-band)數值微幅降低。
另，將D-band強度及G-band強度分別對應電子束之照射能量作圖，其結果如第2圖所示；以及，將D-band及G-band強度比及2D-band及G-band強度比分別對應電子束之照射能量作圖，其結果如第3圖所示。
根據第2及3圖結果所示，可以得知，隨著電子束之照射能量增加，G-band及D-band數值降低，係由於電子束於石墨烯薄膜中形成帶電雜質(charged impurity)，使2D-band下降，並造成石墨烯薄膜之π鍵鍵結斷裂，造成G-band強度下降。
並且，各組石墨烯材料之缺陷的產生及帶電雜質之增加，均可以視為石墨烯材料之參雜，可以改變該石墨烯材料之半導體特性(如，n型、p型及I-V特性)。
綜合上述，本發明之石墨烯特性調整方法，係以電子束照射石墨烯薄膜，有效控制該石墨烯薄膜之π鍵鍵結，改變石墨烯薄膜之能帶特性，進而得到獲得具有半導體特性之石墨烯材料的功效。
再者，本發明之石墨烯特性調整方法，係於低溫環境下以電子束照射石墨烯薄膜，可以降低高溫環境對石墨烯材料造成之損傷，免除後續對受損之石墨烯材料進行修復之步驟，是以達到簡化製程及降低工業成本之功效。
本發明之石墨烯特性調整方法，係採用電子束，具有精準定位及定量之特性，可以針對小面積之改質區域進行電子束掃描，更可以分別控制該電子束之電流強度(如70~120pA)、掃描時間(如一個點0.1~4μm s)及加速電壓(50keV)，僅需使該電子束之照射能量落於200~1200 μC/cm2範圍，即可以達成不同程度之半導體特性調整(即，石墨烯改質程度)，可以滿足不同產品之特性調整需求，為本發明之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (7)

  1. 一種石墨烯調整方法，係包含：一石墨烯薄膜提供步驟，係提供一石墨烯薄膜，該石墨烯薄膜成形於一基板；及一改質步驟，係將該石墨烯薄膜置於真空環境中，以電子束照射該石墨烯薄膜，以獲得一石墨烯材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯調整方法，其中，該電子束之加速電壓係50keV。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之石墨烯調整方法，其中，該電子束之照射能量係200~1200μC/cm2。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯調整方法，其中，該石墨烯係以PVD沉積法成形於該基板。
  5. 如申請專利範圍第1或4項所述之石墨烯調整方法，其中，該基板係矽晶片。
  6. 如申請專利範圍第1或4項所述之石墨烯調整方法，其中，該基板係為電子元件或電晶體。
  7. 如申請專利範圍第1或4項所述之石墨烯調整方法，其中，該電子束之電流強度係為70~120pA。
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