[发明专利]一种用碳团簇离子束制备超薄碳膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用碳团簇离子束制备超薄碳膜的方法，属于纳米材料领域。

背景技术

石墨烯，作为一种典型的超薄碳膜，是碳原子紧密堆积构成的二维晶体。由于具有良好的物理奇异性和电学性质,在半导体功能器件的应用方面前景很广。石墨烯具有远高于单晶硅的载流子浓度和迁移率，受温度和掺杂的影响很小，载流子的传输可不受晶格缺陷和杂质原子散射的影响，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性。目前制备石墨烯的有效方法有（一）机械解理石墨：能够制备一个及几个原子层厚度的石墨烯，大面积成膜难以实现；（二）化学气相沉积（CVD）结合溶解-析出法：制备单层的石墨烯有较大的优势，但用CVD方法溶解的碳淬冷后仅有很小一部分析出形成石墨烯,厚度不易控制。（三）离子注入结合热处理-冷却析出法：利用金属（如镍）与碳在不同温度下固溶度的差异，采用离子注入的方法能有效地注入一定剂量的碳离子到基体中，之后经过高温热处理使碳原子扩散均匀地分布，最后均匀冷却至室温在基体表面析出石墨烯层。此种方法制备单层至多层石墨烯方法很有效，离子的大面积注入工艺也比较成熟。

Raytheon公司的专利用的是聚焦离子束，该方法只能用气体作离子源，通过与聚焦离子束反应在高真空腔体中产生碳离子。这些离子无法经过电磁场分析，因此能量范围很大，难以控制沉积到基片上的离子能量，不能保证其单能性，而且聚焦离子束装置只能做微小区域的操作，很难满足大面积生产石墨烯的要求。

发明内容

本发明所要解决技术问题在于提供一种制备超薄碳膜的方法，可以大面积生产。

本发明采用类似于低能团簇负离子注入的方法在基体上沉积石墨烯或超薄碳膜，利用团簇束单个原子的低能量、剂量精确可控的优势，实现直接沉积法制备石墨烯或超薄碳膜。

具体方案是：

采用装置由离子源、扫描器、沉积靶室和真空系统组成，离子源、扫描器、沉积靶室依次相连，与真空系统连接，离子源产生团簇碳负离子束，经减速场在沉积靶室的基体上扫描形成石墨烯或超薄碳膜。

离子源产生的碳团簇离子束，经过减速场，其能量从十几KeV降低到几十或几百eV，得到负离子束扫描在衬底上形成厚度均匀的石墨烯或超薄碳膜。原理图如图1。

本发明以高密度的石墨棒作为溅射靶，溅射面是平面，溅射电压Vsp为5-6 kV；溅射产生的碳团簇束由吸极引出孔引出，吸极电压V_EX为10-15 kV。

引出的C₁-C₁₀对应的团簇束流如图3所示，其中 Vsp=5.6 kV, V_EX=12.0 kV。

本发明所述扫描器采用合轴装置，用双路交流电源代替直流电源来实现。

本发明所述离子源如图2所示，由铯炉、离化器、碳靶、吸极几部分构成，离子源工作原理：铯炉中的液态金属铯在加热作用下蒸发，产生的铯蒸汽到达用大电流加热的铠装钽丝绕成的凹面型离化器的表面，冷的铯的气体分子遇到热钽丝而电离，产生的铯离子在负的靶电压作用下加速往靶运动，将靶中碳原子以团簇负离子的形式溅出，团簇负离子在一个高于靶电位的吸极负电压作用下加速往吸极运动，最终将团簇负离子由吸极引出。

本发明所述沉积靶室其结构如图4所示。靶室安装在串列加速器的离子源与加速管之间，为了不影响加速器整体的离子光学，团簇沉积靶室设计成窄型（200mm），由靶室和插板阀取代现有的波纹管的位置，只增加20-30mm的自由漂移空间，不改变加速器的管路长度。

本发明的有益效果是：（1）制备的超薄碳膜厚度精确可控；（2）可在室温下沉积；（3）扫描作用下可制备均匀性较好的薄膜；（4）对于电子器件，电极的制备极其方便。

附图说明

图1为本发明原理图。

图2为本发明中离子源的结构图，图中（1）铯炉、（2）离化器、（3）冷却剂、（4）碳靶、（5）阴极绝缘子。

图3为本发明方法溅射产生的C₁-C₁₀对应的团簇束流。

图4为本发明采用的沉积靶室平面图和靶架平面图。图中（6）观察窗、（7）扫描电极、（8）可旋转铜杆、（9）固定连接管、（10） 有机玻璃层、（11）连接管道、（12）插板阀、（13）四面型铝靶

图5为本装置所制备的碳膜的拉曼光谱图（内插图对应的是制备出的碳膜的AFM图）。