[发明专利]纳米线与石墨烯的复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，特别涉及一种纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种六角蜂窝状结构的二维材料,因其高速的电子迁移率、高度的透光性、超常的比表面积以及半整数的量子霍尔效应等一系列性质,使得它在晶体管、传感器、超级电容、储氢材料等很多领域都有广阔的应用前景。

纳米线(Nanowire)是一种典型的一维纳米结构,通常定义为直径(或厚度)尺寸数十纳米到数百纳米。锗也是重要的半导体材料之一，所以锗纳米线在新型纳米器件、纳米连接导线等领域有重要的潜在应用价值。锗纳米线及阵列的电子输运、发光致光(PL)、光电导，纳米线与石墨烯的复合材料(FET)等也获得了广泛研究。

目前将纳米线与石墨烯结合研究的案例还较少，例如，由于锗纳米线具有较大的比表面积，当其被修饰到电极表面时，可以加快电子传递速率，提高传感器的灵敏性；而石墨烯作为传感器界面的修饰材料已经被广泛研究，锗纳米线和石墨烯可以产生协同作用。

发明内容

本发明针对现有技术鲜有将纳米线与石墨烯结合研究的案例，提出了一种纳米线与石墨烯的复合材料及其制备方法，以获得一种保证产量和质量的纳米线和石墨烯复合材料的可控生长。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)提供SGOI衬底，所述SGOI衬底由下至上依次包括硅衬底、埋氧层及SiGe层；

2)刻蚀所述SiGe层，形成预定尺寸的条状SiGe阵列；

3)将步骤2)得到的结构进行锗浓缩，得到表面被SiO₂层包裹的Ge或SiGe纳米线；

4)去除包裹在所述Ge或SiGe纳米线表面的所述SiO₂层，得到Ge或SiGe纳米线阵列；

5)在所述Ge或SiGe纳米线阵列上生长石墨烯。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述SiGe层中Ge的组分小于40％。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，刻蚀所述SiGe层形成的条状SiGe的宽度为100nm-500nm。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，锗浓缩的步骤包括：

31)：将步骤2)得到的结构首先在第一预设温度的含氧气氛下中氧化第一预设时间，然后在第一预设温度的氮气气氛中保持第二预设时间；

32)：重复步骤31)若干次直至所述条状SiGe中的Ge组分达到预设的组分；

33)：将温度下降至第二预设温度，并将步骤32)得到的结构首先在所述第二预设温度的含氧气氛下氧化第三预设时间，然后在所述第二预设温度的氮气气氛中保持第四预设时间；

34)：重复步骤33)若干次直至完成锗浓缩，得到所述表面被SiO₂层包裹的Ge或SiGe纳米线。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，所述第一预设温度为1050℃，所述第一预设时间及所述第二预设时间均为60分钟；所述第二预设温度为900℃，所述第三预设时间及所述第四预设时间均为90分钟。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，包裹所述Ge或SiGe纳米线的SiO₂层的厚度为80-100nm。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，所述Ge或SiGe纳米线的形状为圆柱形，所述Ge或SiGe纳米线的直径为50nm～100nm。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，利用湿法腐蚀去除包裹在所述Ge或SiGe纳米线表面的SiO₂层，所使用的腐蚀溶液为稀释的氢氟酸。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，采用化学气相沉积法在所述Ge或SiGe纳米线阵列上生长所述石墨烯。

作为本发明的纳米线与石墨烯的复合材料的制备方法的一种优选方案，采用化学气相沉积法在所述Ge或SiGe纳米线阵列上生长所述石墨烯包括以下步骤：

51)将步骤4)得到的结构置于化学气相沉积反应炉中；

52)向所述反应炉内通入惰性气体及氢气；

53)在预设生长温度下向所述反应炉内通入碳源气体进行反应，在所述Ge或SiGe纳米线阵列上生长所述石墨烯；