[发明专利]一种在绝缘基底上制备石墨烯纳米带的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在绝缘基底上制备石墨烯纳米带的方法，具体的讲是涉及一种以具有单原子层厚度台阶的绝缘基底为模板，生长石墨烯纳米带的方法。属于低维材料和新材料领域。

背景技术

受物理原理的制约，硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，小于10纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。寻找硅的替代材料作为下一代光电器件沟道层成为延续摩尔定律，获得更高性能芯片的当务之急。石墨烯自2004年发现以来，由于其独特的性质，包括最薄、最牢固、高热导率、高硬度、高电子迁移率、零有效质量、室温弹道输运、耐受电流密度比铜高6个数量级等，在下一代光电器件，透明导电膜，传感器等领域显示了巨大的应用潜力。尤其是其电子迁移率在常温下超过15000cm²/Vs，被期待替代硅用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或光电器件。目前发展的常规的石墨烯制备方法有：微机械剥离、热解碳化硅(SiC)、在过渡金属及重金属上的化学气相沉积(CVD)以及化学插层氧化还原法。适合石墨烯光电器件制备的方法有SiC热解和过渡金属上CVD方法。SiC热解所需的温度过高，与目前的半导体工艺不兼容，且SiC基底本身成本高。新型电子器件的应用中，CVD制备石墨烯与目前的半导体工艺兼容，并且成本低。

但目前在过渡金属上制备石墨烯，需要将制备的石墨烯转移到绝缘基底，转移过程中使用了湿法化学过程，缺陷引入不可避免，这大大降低了石墨烯电子迁移率。另外，当前研究的石墨烯光电器件的绝缘层大多为SiO₂/Si。SiO₂/Si基底并非石墨烯电子器件的合适的或首选的基底。J.H.Chen等2008年发表在Nature Nanotechnology上的文章Intrinsic and Extrinsic Performance Limits of Graphene Devices on SiO₂指出由于SiO₂表面电荷聚集引起的石墨烯局域载流子掺杂，以及SiO₂-石墨烯界面上声子对于石墨烯载流子的散射作用，使得石墨烯电子迁移率上限降为40000cm²/Vs，这大大降低了石墨烯的应用。

如何避免转移并克服SiO₂/Si基底的不足是石墨烯光电器件的关键之一。六角氮化硼(hBN)应该是最具有潜力的一种石墨烯用绝缘基底。hBN是石墨烯的等电子体，具有与石墨烯相同的层状结构，在(0001)面上不存在悬挂键，与石墨烯的晶格失配仅为1.7％。目前已经有多篇文献，如R.G.Decker等人发表在Nano Letter上的文章Local Electronic Properties of Graphene on a BN Substrate via Scanning Tunneling Microscopy以及Dean，C.R.等发表在Nature Nanotechnology上的文章Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics报道了将石墨烯机械转移到hBN基底，hBN基底也是利用机械剥离块体hBN实现，实验结果表明电子迁移率比SiO₂上提高了一个数量级。类似于六角氮化硼，具有原子级平整度解理面的氮化镓，氧化铝，钛酸锶，石英等，都有可能成为保持石墨烯高迁移率的理想基底。

除了对于转移的石墨烯，hBN基底优于SiO₂/Si基底之外，已有报道表明高质量的石墨烯有望直接生长在hBN上，这就避免了目前普遍使用的转移工艺过程。我们研究小组于2011年在Carbon上的文章Direct growth of few layer graphene on hexagonal boron nitride by chemical vapor deposition报道了一种以hBN为基底CVD方法制备石墨烯的方法，实现了在hBN上石墨烯的直接生长，但是该方法制备的石墨烯完全包覆hBN基底，同时厚度的可控性不足，实现均一的单层及双层石墨烯存在困难。G.Lippert等的文章Direct graphene growth on insulator提出了一种MBE方法在云母表面生长石墨烯的方法，但是得到的石墨烯质量较差。目前在hBN上直接生长石墨烯还远远达不到制备芯片的要求。