[发明专利]非金属衬底表面制备氮掺杂石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明一种制备石墨烯的方法，具体的涉及一种制备氮掺杂石墨烯的方法。

背景技术

由于硅基集成电路性能提高面临着进一步的理论限制，众多研究人员已经将精力转向非硅基材料以便发现可以应用于提高下一代电子器件性能的独特材料。碳纳米材料在取代硅电子器件技术领域具有较高的希望。

最近石墨烯由于其完美的二维碳原子晶体结构所具有的独特的物理性能及其作为后硅基纳米电子器件领域的潜在应用价值而引起了人们的广泛关注。石墨烯是石墨的单碳原子层结构，其中的碳原子骨架排布成二维六边形零带隙半导体结构。石墨烯极高的载流子迁移率（2×10⁵cm²··V^-1··S^-1）使其在高频晶体管领域具有重要的应用价值。另一方面，利用石墨烯作为半导体沟道的场效应晶体管缺乏带隙，不具有调控电学性能的功能，限制了其在场效应晶体管领域的应用。基于此，众多研究组通过在石墨烯内部结构中掺入杂原子的方法改变其电学性能，从而获得具有半导体电学特征的石墨烯膜材料。化学掺杂通常是利用杂原子取代石墨烯内部结构中的碳原子，通过掺杂可以有效的改变石墨烯的狄拉克点位置向负极或者正极方向移动，从而获得n型或者p型电学结构场效应晶体管。

由于p型石墨烯场效应晶体管很容易在空气或者氧气中得到，因此如何制备n型场效应晶体管作为对p型晶体管的补充就显得极为重要。

目前研究人员已经发明了大量的方法将氮原子作为杂原子掺杂进石墨烯网络的方法。氮原子的孤对电子对石墨烯产生具有n型电学特征的高电子迁移率起到重要的作用，通过向石墨烯网络贡献孤对电子可以有效的调控其电学特性。

目前制备氮掺杂石墨烯的方法主要有化学气相沉积法（CVD），溶剂热法，电热掺杂法等，其中CVD法被大量用来制备大面积高质量氮掺杂石墨烯膜材料。这些利用CVD法制备的氮掺杂石墨烯主要是以过渡金属衬底作为催化剂，如铜箔等。利用铜箔作为催化剂尽管所制备的氮掺杂石墨烯质量较高，且具有大面积均一特性，但是由于是生长在金属衬底表面，无法直接应用到电子器件中，因此需要首先将所获得的石墨烯通过中间媒介如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等转移到特定的衬底上。由于在转移之前需要将所用的铜催化剂等在氯化铁或者硝酸铁中刻蚀掉，该过程会引入大量杂质，另外，在利用丙酮将媒介PMMA洗去过程中，由于PMMA不能完全去除干净，因此亦会在氮掺杂石墨烯的表面残留大量的杂质？那么我们如何解决石墨烯转移过程中杂质的引入这个问题呢？最好的方法就是生长过程中不采用铜等金属催化剂，而是在非金属衬底表面直接生长氮掺杂石墨烯。

因此如何实现在非金属衬底表面直接制备氮掺杂石墨烯是目前该研究领域热点。这种技术具有环境友好等优点，对降低氮掺杂石墨烯的应用成本，实现氮掺杂石墨烯在高性能电子器件等方面的应用具有巨大的推动作用。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的旨在提供一种在非金属衬底表面制备氮掺杂石墨烯的方法。该方法可以省去通常制备氮掺杂石墨烯后的转移过程，避免了后续转移过程中杂质的引入，既环保又可以降低其在电子器件领域的应用成本。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种非金属衬底表面制备氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）清洗具有一定表面形貌特征的非金属衬底的表面；

步骤2）在所述非金属衬底表面制备氮掺杂石墨烯膜，主要包括以下步骤：

207）将所述的清洗干净的非金属衬底放入管式CVD系统中的高温区部分；

208）将炉温在15-30分钟内升高到600-1000℃之间，并该过程中通入空气，并在炉温达到所设定600-1000℃温度之间后维持20-60分钟，随后缓慢降低炉温，使其达到室温；

209）将炉内空气排除干净；

210）在以氢气和高纯氩气为载气的情况下，于40-120分钟的时间内将炉温升高到1050-1500℃之间，并将所述非金属衬底在该温度下保持10-30分钟；

211）通入含碳、氮源的气体进行氮掺杂石墨烯的生长，并在1050-1500℃温度下维持30-300分钟；

212）停止加热，将炉温缓慢降低到室温。