[发明专利]一种制备高迁移率的n型单层硫掺杂石墨烯薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种制备高迁移率的n型单层硫掺杂石墨烯薄膜的方法，属于半导体材料制备技术领域。本发明以二苄基二硫同时作为碳源和硫源，以氢气/氩气为载气，采用双温区的化学气相沉积法制备方式，在铜箔基底上制备了单层硫掺杂石墨烯薄膜；本发明制备的单层硫掺杂石墨烯薄膜在空气中呈现典型的n型输运特性，同时具有优异的迁移率。

1.技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，尤其涉及一种制备高迁移率的n型单层硫掺杂石墨烯薄膜的方法。

2.背景技术

在当前众多的二维材料中，石墨烯以其独特的结构和性能成为其中的研究热点。石墨烯是一种零禁带的半导体，在空气中由于氧气/水分子的吸附(空穴掺杂)呈现出p型输运特性，因此通过调节带隙结构获得空气中稳定的n型石墨烯将有效推动石墨烯在电子、电化学等领域的应用。

在众多的尝试中，替代掺杂被认为是一种有效和稳定的调控石墨烯能带结构的方法。在目前的进展中，氮元素掺杂的石墨烯已经得到广泛研究。相较于氮元素，对于石墨烯结构，硫元素在理论上意味着更强的给电子能力(电子掺杂)，但实验上的研究仍然较少，这主要是相较于氮原子，硫原子和碳原子的直径相差更大，这意味着需要更多的能量才能使得硫原子替换六元环中的碳原子，这给生长带来的了困难，特别是薄膜生长。更值得注意的是，目前报导的硫掺杂石墨烯薄膜(主要以噻吩硫结构存在)，在空气中仍然呈现出p型输运特性，这意味着噻吩硫掺杂结构给予的电子并不足以抵消吸附的氧气/水分子给予的空穴。

因此研究更强给电子能力的掺杂硫结构，实现空气中稳定的n型硫掺杂石墨烯的可控制备，无论在基础研究还是实际应用上都具有重要的研究意义。

3.发明内容

本发明的目的在于：提供一种制备高迁移率的n型单层硫掺杂石墨烯薄膜的方法，丰富石墨烯的物理特性，拓展其在电子、电化学等领域上的应用。

本发明采用的技术方案如下：

一种制备高迁移率的n型单层硫掺杂石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：

(1)清洗铜箔：将铜箔在10％(体积分数)的盐酸溶液液中浸泡2min，然后置于去离子水中清洗；多次更换去离子水，以去除铜箔表面残留的盐酸；然后将其放置于乙醇中，以此去除铜箔表面的水，最后用干燥的氮气吹干。

(2)分别将二苄基二硫和铜箔放置在管式炉中的第一温区和第二温区，背底真空抽至7x10^-4Pa，进行硫掺杂石墨烯生长。

(3)在氢气/氩气气氛下，将第二温区升温至700℃,保温20min；

(4)在氢气/氩气气氛下，将第一温区升温至150-300℃，第二温区升温至900-1050℃；

(5)在氢气/氩气气氛下,对两个温区均保温30min进行硫掺杂石墨烯生长，然后自然冷却至室温，即得；

(6)制备好后的石墨烯通过传统的PMMA湿法转移，从铜箔转移到二氧化硅/硅基底进行下一步结构和电学表征。具体步骤：将带有石墨烯的铜箔剪成所需要的形状，用胶带封边固定在PET上，再用PMMA溶液(质量比约3％的PMMA粉末溶于乳酸乙酯中)旋涂在石墨烯/铜箔正面；用1000rpm匀胶10s，3000rpm甩胶30s，置于热板120℃坚膜10min后剪掉铜箔四边的胶带，取下底部PET；放入1mol/L氯化铁水溶液表面～5min，用镊子夹起铜箔然后用去离子水冲洗底部，除去底层石墨烯；重新置于氯化铁水溶液表面腐掉铜衬底，腐蚀时间一般为1.5-6h；将薄膜用去离子水洗3次，每次浸泡10min；最后用硅片捞起薄膜，按照50℃-15min、80℃-5min、100℃-5min的条件依次用热板烘干；换两次丙酮去PMMA胶，丙酮两次分别浸泡10min，异丙醇10min，去离子水10min，用氮气枪吹干。

本发明采用二苄基二硫同时作为碳源和硫源，以供硫掺杂石墨烯生长。