[发明专利]石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构及其制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构及其制备方法。该方法包括：形成石墨烯/六方氮化硼的初步堆叠结构；对初步堆叠结构进行热处理，以得到石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构。基于热处理时石墨烯会在六方氮化硼晶体上发生旋转，有利于两者的晶向匹配，从而得到了具有高度完美晶向匹配的石墨烯/氮化硼堆叠结构。该方法避免了现有技术中的机械对准方式所存在不确定性，且与石墨烯及六方氮化硼的边界晶向无关，即使无规则边界的石墨烯和六方氮化硼也能进行高度匹配。此外，该方法加工及操纵技术成熟，不仅适用于石墨烯/六方氮化硼堆叠结构，还可以延伸到制备其它类似的结构中，如石墨烯/石墨体系。

技术领域

本发明涉及纳米技术领域，特别是涉及一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构及其制备方法。

背景技术

石墨烯作为二维碳材料具有许多优异性能，自从2004年由英国曼彻斯特大学的科学家制备出来(Science306,666(2004))以来，石墨烯的许多特性逐渐为人们所了解。石墨烯可以悬浮起来或是通过范德瓦尔斯力附着在衬底上，石墨烯在各种衬底上的特性表现出显著的不同，这说明衬底对这种原子级薄的材料的重要性。

六方氮化硼具有原子级平整的表面，表面几乎没有悬挂价键而且掺杂电荷密度极低，展现出其能够作为石墨烯的衬底的巨大潜力。人们在六方氮化硼作为衬底的石墨烯材料中观察到高达60,0000cm²V^-1s^-1的迁移率以及量子霍尔效应。六方氮化硼与石墨烯一样也为蜂窝状结构，晶格常数与石墨烯有1.8％的差异，该差异导致石墨烯/六方氮化硼堆叠结构在石墨烯的表面有莫尔条纹形成。这种莫尔条纹对石墨烯的能带具有较大的影响，其电学性质表现出奇特超晶格狄拉克点，此外，对石墨烯等其它方面的性能如拉曼特性，界面摩擦等都有明显的影响。同时，莫尔条纹的尺寸与石墨烯和六方氮化硼的相对晶向密切相关，研究发现只有晶向接近匹配时才能得到具有较大尺寸的摩尔条纹，这种晶向匹配的结构是一种很好的材料。表现为石墨烯的许多特性如电学特性中超晶格狄拉克点易于观察到，而且此种结构表现出较大的界面摩擦和极好的热稳定性，有利于制备性能稳定的器件。虽然具有良好匹配性的结构具有诸多优异性能，然而其制备方法却比较困难。目前人们发展出的方法主要包括机械转移法和外延生长法。

采用机械转移法得到的石墨烯/六方氮化硼堆叠结构通常晶向随机，很难控制转移时的相对角度以达到晶向匹配。转移时控制相对角度的方法仅限于具有规则边界的石墨烯和氮化硼，而对于边界不规则的石墨烯和氮化硼则不能用使用该方法，因此，机械转移法具有较大的局限性，尤其是对于已经机械转移到氮化硼表面的石墨烯，由于污染和褶皱，转移后的晶向则很难再改变。

外延生长法即在氮化硼表面外延生长石墨烯，一般是利用等离子体化学气相沉积，虽然该方法得到的石墨烯/六方氮化硼堆叠结构具有完美的晶向匹配，但在沉积和成核的过程中容易造成不均匀，生长出的石墨烯有较多缺陷，对材料的性能不可避免的会产生不利影响。

因此，目前迫切需要出现一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构的制备方法。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构及其制备方法，该方法制备的堆叠结构匹配在1°以内，精确度高，且可将任意取向的石墨烯与六方氮化硼晶向匹配，

根据本发明的一个方面，提供了一种石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构的制备方法，包括：形成石墨烯/六方氮化硼的初步堆叠结构；对初步堆叠结构进行热处理，以得到石墨烯/六方氮化硼的高度晶向匹配堆叠结构。

进一步地，在热处理之前，采用基于扫描探针的操纵技术对初步堆叠结构中的石墨烯进行操作，以使初步堆叠结构预匹配。

进一步地，热处理包括加热操作，加热操作的加热温度为600℃～800℃，保温时间为10～40分钟。