[发明专利]基于Ni膜退火和氯气反应的大面积石墨烯制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种半导体材料及其制备方法，具体地说是基于Ni膜退火和氯气反应的大面积石墨烯制备方法。

技术背景

石墨烯是碳原子紧密堆积成而为蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp²杂化碳,即碳以双键相连或连接其他原子的基本结构单元，具有一些特殊的物理特性，包括：独特的载流子特性；电子在石墨烯中传输阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质；力学性能好、韧性好，每100nm距离上承受的最大压力可达2.9N；石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离，导致新电子传导现象的产生，如量子干涉效应，不规则量子霍尔效应等。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体。并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性，才引发石墨烯研究热。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，人们发现，将石墨烯带人工业化生产的领域已为时不远了。

石墨烯的应用

（1）代替硅用于电子产品

硅让人们迈入了数字化时代，但研究人员仍然渴望找到一些新材料，让集成电路更小、更快、更便宜。在众多的备选材料中，石墨烯备加引人瞩目。石墨烯的超高强度、透光性和超强导电性，使之成为了制造可弯曲显示设备和超高速电子器件的理想材料。石墨烯如今已经出现在新型晶体管、存储器和其他器件的原型样品当中。石墨烯输运电子的速度比硅快几十倍，因而用石墨烯制成的晶体管工作得更快、更省电。

（2）用于光子传感器

石墨烯还可用于光子传感器，这种传感器用于检测光纤中携带的信息，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。2010年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器。英国剑桥大学及法国CNR的研究人员已经制造出了超快锁模石墨烯激光器，这项研究成果显示了石墨烯在光电器件上大有可为。

（3）用于纳电子器件

石墨烯是纳米电路的理想材料，其中，高传导石墨烯是一种性能优异的半导体材料，是将来应用于纳米电子器件最具希望的材料。巴斯夫和沃尔贝克公司开发了用于导电涂层的高传导石墨烯，这将为石墨烯在电子工业中应用的商业化铺平道路。

（4）用于太阳能电池

透明的石墨烯薄膜可制成优良的太阳能电池。美国鲁特格大学开发出一种制造透明石墨烯薄膜的技术，所制造的石墨烯薄膜只有几厘米宽、l～5nm厚，可用于有机太阳能电池；美国南加州大学的研究人员已将石墨烯用于制作有机太阳电池。石墨烯有机太阳能电池造价低，而且柔韧性好，因此研究人员看好其应用前景，例如这种石墨烯有机太阳能电池可做成家用窗帘，甚至可以做成会发电的衣服。

(5)其他应用

石墨烯在增强复合材料方面超越了碳纳米管。美国伦斯勒理工学院的研究者发表的3项新研究成果表明，石墨烯可用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。此外，石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，在生物技术方面也可得到应用。

石墨烯的制备方法

石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法2种。

机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法．化学法包括化学还原法与化学解理法等。微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，可获得高品质石墨烯，且成本低。但缺点是石墨烯薄片尺寸不易控制。无法可靠地制造出供实际应用的大面积石墨薄片样本，不适合量产。取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，石墨烯性能令人满意，但往往厚度不均匀。加热碳化硅法能可控地制备出单层或多层石墨烯，是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法，但制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。

化学还原法能够低成本制备，但很难制备没有晶界的高品质石墨烯薄片。化学解理法是利用氧化石墨通过热还原方法制备石墨烯的方法，是一种重要的石墨烯制备方法。化学气相沉积法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法，其最大优点在于可制备出面积较大的石墨烯片．缺点是必须在高温下完成，且在制作过程中，石墨烯膜有可能形成缺陷。而经过改进的微波等离子体化学气相沉积法，其处理温度较低，只有大约400℃，但是仍然不适于量产。

目前已有的方法，仅可以制备出面积小于2英寸的石墨烯材料，因此制备大面积、高质量、低缺陷的石墨烯已成为一项亟待解决的重要问题。

发明内容