[发明专利]在含硅层基材表面上形成石墨烯层的方法

说明书

本发明涉及在含硅层基材表面上形成石墨烯层的方法。

在本申请中，将使用常规的阶梯术语，其中梯面指放脚的表面，梯级竖板指在两梯面之间延伸的表面，梯面宽度是梯级竖板到梯级竖板的梯面深度，梯级高度是从梯面到梯面之间的梯级竖板的高度……

发明背景

石墨是具有结晶结构的碳的同素异形体，其由一堆通过碳原子形成的六角形环平面组成，一个环平面称为石墨烯。

在本申请中，词语“石墨烯层”将理解成既包括单一的环平面和一堆的数个环平面，在后者中各个环平面相对于在该堆中的其它环平面是旋转的。具体地，在后一种情况下，各个环平面(石墨烯)的性质与其它环平面的性质无关，由此使它与石墨块不同，在石墨块中各个环平面和其它环平面具有基本上相同的性质。

石墨烯具有独特的电子性质，将彻底改变电子领域。但是，石墨烯是一种难以分离的材料。因此，在最近几年中，已经进行了许多研究项目，试图理解石墨烯的电子性质并制造这种材料。

目前，有两种主要方法用于制造石墨烯层。

第一种方法称为剥离法，该法涉及使用粘附胶带从本体石墨基材提取薄带。在这样提取的带上再次实施该操作，以获得新的更薄的带。重复该过程，直到获得单个原子层样品，即一层石墨烯。

但是，已证明难以从工业角度实施这种方法。

第二种方法涉及在碳化硅基材表面上形成石墨烯层。逐步加热基材，直到至少在该基材的第一原子晶格阵列中的硅升华，从而在所述基材的自由表面上形成石墨烯层。

但是，已证明这种方法实施起来非常昂贵，因为碳化硅基材具有非常高的价格。

最近，已开发了第三种方法，该方法是对前述两种方法的改进。所述第三种方法涉及在含硅层基材表面上形成石墨烯层，并依次包括以下步骤：

－在硅层的自由表面上形成碳化硅膜；以及

－逐步加热该基材，直到至少该碳化硅膜的第一原子晶格阵列中的硅升华，从而在所述碳化硅膜上形成石墨烯层。

形成碳化硅膜允许形成“结合”层，使得能形成石墨烯。使用这类基材大大降低了制备这种石墨烯层的成本，因为硅基材或含硅层基材比碳化硅基材便宜很多。

但是，已观察到以这种方式形成的石墨烯层包含许多裂纹。图1a和1b是使用上述第三种方法形成的石墨烯层一部分的照片，图1b是图1a中区域I的放大图。图4a和4b分别示意性地复制了图1a和图1b中所示的照片。参考图1a、1b、4a、4b，可清楚地看到裂纹。

为了获得高质量的石墨烯层，随后精确地将石墨烯层分离成被裂纹限定的各种片。因此，使用这种方法只可形成直径约5-10微米的小片石墨烯。

已经提出，通过在受控的氩气流下加热基材来改善所述第三种方法。

发明人观察到，这不能阻止裂纹形成。

发明主题

本发明的目的是提供一种在包含硅层和位于该硅层上的碳化硅膜的基材表面上形成石墨烯层的方法，这种方法允许获得比现有方法所能实现的更高质量的石墨烯层。

发明概述

为了这个目的，提供了一种用于在含硅层基材表面上形成石墨烯层的方法，所述方法依次包括以下步骤：

-在所述硅层的自由表面上形成碳化硅膜；以及

-逐步加热该基材，直到至少该碳化硅膜的第一原子晶格阵列中的硅升华，从而在所述碳化硅膜上形成石墨烯层。

根据本发明，使用了具有阶梯式自由表面的硅层。

令人惊讶的是，阶梯式硅层允许形成具有高得多的晶体和电子质量的碳化硅膜。

图2a和2b是使用第三种现有技术方法形成的碳化硅膜的一部分的照片，在第一晶体方向(图2a)和第二晶体方向(图2b)上。图5a和5b分别示意性地复制了图2a和图2b中所示的照片。图2c和2d是使用根据本发明的方法形成的碳化硅膜的一部分的照片，在第一晶体方向(图2c)和第二晶体方向(图2d)上。图5c和5d分别示意性地复制了图2c和图2d中所示的照片。因此，参考图2a至2d和5a至5d，可知通过本发明的方法获得的碳化硅膜比现有技术的碳化硅膜具有更均匀的晶体结构。

发明人已发现从碳化硅膜形成的石墨烯对该碳化硅膜的质量特别敏感，且对该碳化硅膜的自由表面的质量尤其敏感。因此，阶梯式硅层允许形成质量高得多的碳化硅膜，由此允许形成质量高得多的石墨烯。