[发明专利]一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法。

背景技术

石墨烯是单层碳原子薄膜，是典型的二维晶体材料。因为其优越的物理及化学性能，其研究领域已经深入到了电子器件、传感器、储能、调制器等范围。因为石墨烯在狄拉克点附近独特的电子结构，其拥有许多特有的性质。有科学家大胆预测石墨烯终将取代硅成为电子信息领域的首选材料。但是其零电子带隙的特点已经严重制约了其应用范围，因此打开并调控石墨烯的电子带隙，是决定其能否成功应用于电子信息领域的关键问题。目前来说关于调控石墨烯能隙的研究可以分为：纳米条带、双层石墨烯、衬底效应、引入缺陷等类型。

受目前制备工艺的制约，纳米条带的尺寸不可随意缩小；电场诱导方式控制双层石墨烯的电子带隙对层数及石墨烯晶格完美性要求非常严苛；衬底效应产生的电子带隙不具备可调性。综上所述，前两种电子带隙的调控方式都受到了制备工艺的制约；衬底效应仅能引起确定大小的带隙；相比之下通过缺陷结构调控电子带隙不受制备工艺及衬底材料的限制，具有迷人的前景拥有重要的研究价值。缺陷结构可以调控石墨烯的电子带隙，因此在石墨烯中引入可控的缺陷结构，是实现对石墨烯能隙调控优选途径。离子束的种类、能量、剂量等辐照条件可以精确控制，可控性及重复性是离子辐照方法的主要优点。因此离子辐照方法可以克服其他方法可控性及重复性差的缺点，该方法是在石墨烯中产生缺陷结构的优选方案。本发明选用离子辐照方法在石墨烯中产生可控的缺陷结构，进而调控石墨烯的电子带隙。

狄增峰等人提交的申请号为CN201210174733的发明专利“一种基于离子注入技术打开石墨烯带隙的方法”。该方法首先用离子注入技术轰击石墨烯表面，使其表面产生缺陷（空位），然后选择在合适的气体气氛中退火，完成N型或者P型掺杂，从而打开带隙。该发明有如下缺点：注入离子种类限定为P离子，这种限制要求使用专用离子源，抬高注入成本；该发明专利目的为打开带隙，没有说明电子带隙的可调控性，限制了其应用价值。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种可控性强以及重复性能优良的调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种调控SiC基外延石墨烯电子带隙的方法，依次包括如下步骤：

a)准备外延石墨烯样品，通过SRIM软件计算离子在SiC晶体中的损伤分布、电子能量损失和核能量损失分布，辐射离子种类为H或He中的一种轻离子以及原子量为6-40之间的中间质量离子，轻离子能量为25keV～500keV、剂量为，中间质量离子能量为500keV～6MeV、剂量为，通过第一性原理计算缺陷石墨烯的能带结构；

b)用离子束对SiC基外延石墨烯样品进行辐照，辐照离子穿过石墨烯进入SiC衬底并停留在衬底中，离子束中的辐照离子穿过石墨烯时产生电子能量沉积导致石墨烯晶格机构移位缺陷产生，部分辐照离子与碳原子核发生碰撞产生空位缺陷，辐照后形成带有缺陷结构的外延石墨烯；

c)分别采用金相显微镜观察石墨烯辐照前后的金相结构以及通过扫描电子显微镜观察石墨烯辐照前后表面褶皱变化；

d)测试不同离子辐照的拉曼光谱，拉曼光谱中的G峰为碳sp2结构的特征峰，拉曼光谱中的D峰为缺陷峰，G峰强度为，其取值为，D峰强度为，其取值为，通过公式计算不同辐照条件下的石墨烯样品的晶格缺陷量，进而得到缺陷结构随辐照条件的变化关系；

e)用红外光谱测试外延石墨烯中的带隙。

上述步骤b）中的离子束种类为H或He的轻离子，其离子能量为25keV-500keV，离子剂量为。

上述步骤b）中的离子束种类为原子量为6-40之间的中间质量离子，其离子能量为500keV-6MeV，离子剂量为。

为了提高缺陷结构的稳定性，执行完步骤d)后对辐照后的石墨烯进行真空退火处理，得到稳定的缺陷结构。

为了进一步实时观察石墨烯在辐照过程中的形貌变化，在步骤c)中利用原子力显微镜观察石墨烯辐照前后表面粗糙度的变化。

为了进一步实时观察石墨烯在辐照过程中的形貌变化，在步骤c)中利用扫描探针显微镜得出石墨烯缺陷状态的具体结构。

上述中间质量离子为B或C或N或O或Si或P或Ar中的一种。