[发明专利]石墨烯垂直异质结器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯垂直异质结器件及其制备方法，该石墨烯垂直异质结器件包括石墨烯层、第一异质层和具有贯穿孔的支撑基底，石墨烯层设于支撑基底表面，第一异质层位于贯穿孔中，第一异质层与石墨烯层物理结合构成第一异质结。制备方法，包括以下步骤：(1)在支撑基底上开设垂直于支撑基底表面的贯穿孔；(2)将悬浮石墨烯转移至支撑基底表面；(3)采用生长法在支撑基底的贯穿孔中制备第一异质层。该方法能解决传统石墨烯垂直器件制备存在的界面氧化、吸附和不平整等问题，所制备的垂向异质结器件具有电阻小、防氧化、界面平整、结构紧凑、成本低等优点。

技术领域

本发明属于二维材料微纳米电子器件制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯垂直异质结器件及其制备方法。

背景技术

石墨烯是具有单原子层厚度的蜂窝状晶体，是性质独特应用前景广泛的新型纳米材料。使用石墨烯制备的电子器件、光学器件、自旋器件展现出非常优越的电学、光学和磁电阻性能，是实现新一代智能芯片和传感芯片的有效途径。在诸多应用中，利用石墨烯垂直导电能力弱的特性和石墨烯/金属、石墨烯/铁磁、石墨烯/半导体新颖界面效应等可构建新型的石墨烯器件，例如利用金属/石墨烯/氮化硼/石墨烯/金属可实现负微分电导器件，可用于高频电子器件；利用铁磁/石墨烯/铁磁构建石墨烯磁隧道结可获取大的自旋过滤效应和高的隧道磁电阻值，是实现磁传感、磁存储的潜在选择。这些新型电子器件性能独特优越，应用潜力大、发展前景很好。然而，不同于利用石墨烯面内特性制备的器件，石墨烯垂直结构器件性能主要由其界面决定，需要同时解决好石墨烯与两侧材料的生长和接触问题。目前石墨烯垂直结构器件的通常制备方法是采用逐层生长制备方法(Layer by Layer)，该方法在实际使用中面临着一个核心问题：底层材料的表面暴露或基于底层金属材料的石墨烯生长问题。若采用石墨烯转移方法，把石墨烯转移到已制备好的底层材料，无可避免的暴露底层材料，导致其氧化或表面形成吸附，例如石墨烯磁性隧道结的铁磁层材料极易在大气环境中被氧化，直接影响了器件的性能；若采用直接在底层材料衬底上生长石墨烯，则面临解决多基底石墨烯的低温生长困难，比如：直接在金属材料上高温制备石墨烯，高温导致金属薄膜重结晶，形成颗粒结构，影响了器件的界面平整度。因此，寻求一种有效的途径解决好石墨烯垂直结的制备问题，是石墨烯垂直结的科学研究和产业化亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种电阻小、防氧化、界面平整、结构紧凑、成本低、制备灵活的石墨烯垂直异质结器件及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种石墨烯垂直异质结器件，包括石墨烯层，还包括第一异质层和具有贯穿孔的支撑基底，所述石墨烯层设于支撑基底表面，所述第一异质层位于贯穿孔中，所述第一异质层与石墨烯层物理结合构成第一异质结。

上述的石墨烯垂直异质结器件，优选的，所示贯穿孔为圆孔或方型孔，所述圆孔直径为200nm～10μm，所述方型孔尺寸的长×宽为200nm～20μm×200nm～10μm，所述第一异质层为旋转倾斜镀膜法引入。

上述的石墨烯垂直异质结器件，优选的，所述第一异质层为金属材料层、铁磁材料层、半导体材料层中的一种。

上述的石墨烯垂直异质结器件，优选的，还包括设于石墨烯层表面的第二异质层，所述第二异质层与石墨烯层物理结合构成第二异质结。

上述的石墨烯垂直异质结器件，优选的，所述第二异质层为金属材料层、铁磁材料层、半导体材料层中的一种。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的石墨烯垂直异质结器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)在支撑基底上开设垂直于支撑基底表面的贯穿孔；

(2)将悬浮石墨烯转移至支撑基底表面；

(3)采用生长法在支撑基底的贯穿孔中制备第一异质层。