一种一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法

摘要

一种一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法，包括：提供过渡金属基底；在过渡金属基底表面涂布光刻胶，形成光刻胶层；通过曝光显影将定义图案转移至光刻胶层，形成光刻胶图形；以光刻胶层为掩膜，在过渡金属基底内进行碳离子注入，形成碳离子注入区域；碳离子注入的注入角度是根据所需石墨烯宽度结合光刻胶层的掩膜厚度以及光刻胶图形的宽度计算得到的；去除光刻胶层；进行热退火处理，将碳原子从碳离子注入区域中析出重构，在过渡金属基底表面形成宽度接近甚至小于10nm的一维尺度受限的石墨烯纳米带。相比于现有技术，本发明通过计算以特定的注入角度进行碳离子注入，制备出石墨烯纳米带，具有制备精确、制备工艺流程简单、产量高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制造领域，尤其涉及一种一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法。

背景技术

根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。利用尺 寸不断减小的硅基半导体材料(硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽)来延长摩尔定律 的发展道路已逐渐接近终点。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工 的极限。

为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术(Beyond Silicon)，其中 最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维六方蜂巢结构碳原子晶 体，自从2004年被发现以来，在全世界引起了广泛的关注。

石墨烯(Graphene)是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳 原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键，剩 余的一个p电子轨邀垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子问相互围成正六边形 的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。实验证明石墨烯不 仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，其 电子的有效质量为零，并以10⁶m/s的恒定速率运动，行为与光子相似，由此，石墨的理论电 子迁移率高达200000cm²/V·s，实验测得迁移率也超过15000cm²/V·s，是商业硅片中电子迁 移率的10倍，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质。正是其优异的电学性能使发 展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材 料。

石墨烯本身是零带隙材料，如果直接用其构筑场效应晶体管(FET)器件，门控效果极其 有限，难以实现开关特性。目前的一种解决方案是，把石墨烯裁剪成在横向方向为有限尺寸 的石墨烯纳米带结构，电子在横向上受限，石墨烯纳米带则成为典型的准一维系统，由于量 子限域效应和边缘效应石墨烯的能隙被打开。据文献报道，锯齿状边缘的石墨烯纳米带为半 金属，手扶椅状边缘的石墨烯纳米带可能为金属也可能为半导体，只有石墨烯宽度降低到接 近10nm甚至10nm以下时才表现出显著的带隙，无论边缘的形状如何，其能带结构都展现 为半导体性能。但，现有的制备方法存在制备复杂、宽度不易控制等问题。因此，如何高效、 可控地制备宽度接近甚至小于10nm的石墨烯纳米带是当前该领域的一个充满挑战的重要研 究课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米带的制备方法，用于解决现有技术中在石墨烯纳 米带的制备技术中制备复杂、宽度不易控制等问题。

本发明提供一种石墨烯纳米带的制备方法，包括：提供过渡金属基底；在所述过渡金属 基底表面涂布光刻胶，形成光刻胶层；通过曝光显影将定义图案转移至所述光刻胶层上，形 成光刻胶图形；进行碳离子注入工艺，以所述光刻胶层为掩膜，在所述过渡金属基底内进行 碳离子注入，形成碳离子注入区域；所述碳离子注入的注入角度是根据所需石墨烯宽度结合 所述光刻胶层的掩膜厚度以及所述光刻胶图形的宽度计算得到的；去除所述光刻胶层；进行 热退火处理，将碳原子从所述过渡金属基底的碳离子注入区域中析出重构，在所述过渡金属 基底的表面形成宽度接近甚至小于10nm的一维尺度受限的石墨烯纳米带。

可选地，所述过渡金属基底中的金属包括Ni、Ru、Ir、Pt、Co及其合金中的任一者。

可选地，所述过渡金属基底作过表面平整化处理。

可选地，所述碳离子注入的注入角度为5度至45度。

可选地，所述碳离子的注入能量为10keV至200keV，注入剂量为1*10¹⁵/cm^-2至 5*10¹⁶/cm^-2。

可选地，所述热退火处理包括：在在真空环境或惰性气氛保护下，将所述过渡金属基底 加热到700℃至1200℃，保持5分钟至60分钟后冷却降温，将碳原子从所述过渡金属基底的 碳离子注入区域中析出重构。

本发明技术方案主要是利用在过渡金属基底表面形成的光刻胶作为注入掩膜，并通过调 整注入角度而将碳离子注入有针对性地注入至过渡金属基底的特定区域而形成碳离子注入区 域，再利用热退火处理，将碳原子从碳离子注入区域析出重构，从而在过渡金属基底表面形 成宽度接近甚至小于10nm的一维尺度受限的石墨烯纳米带。

另外，本发明提供的一种一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法，具有制备精确、制 备工艺流程简单、产量高的优点。

附图说明

图1为本发明提供的一种一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法的流程示意图；

图2至图7为按照图1所示的流程形成石墨烯纳米带的示意图。

具体实施方式

在石墨烯纳米带的制备技术中，本发明的发明人对现有技术进行了改进，提出了一种新 型的一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法，其主要是是利用在过渡金属基底表面利用光 刻胶作为注入掩膜，并以计算得到的较佳注入角度将碳离子注入至过渡金属基底的特定区域， 并利用热退火处理，将碳原子析出重构，从而在过渡金属基底表面形成宽度接近甚至小于10 nm的一维尺度受限的石墨烯纳米带。

下面结合图示更完整的描述本发明，本发明提供的优选实施例，但不应被认为仅限于在 此阐述的实施例中。在图中，为了更清楚的反应结构，适当放大了层和区域的厚度，但作为 示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的示意图，图中的表 示只是示意性质的，不应该被认为限制本发明的范围。

图1为本发明石墨烯纳米带的制备方法的流程示意图。如图1所示，所述制备方法包括 如下步骤：

S101，提供过渡金属基底；

S103，在所述过渡金属基底表面涂布光刻胶，形成光刻胶层；

S105，通过曝光显影将定义图案转移至所述光刻胶层上，形成光刻胶图形；

S107，进行碳离子注入工艺，以光刻胶层为掩膜，在所述过渡金属基底内进行碳离子注 入；所述碳离子注入的注入角度是根据所需石墨烯宽度结合所述光刻胶层的掩膜厚度以及所 述光刻胶图形的宽度计算得到的；

S109，去除所述光刻胶层；

S111，进行热退火处理，将碳原子从所述过渡金属基底的碳离子注入区域中析出重构， 在所述过渡金属基底的表面形成宽度接近甚至小于10nm的一维尺度受限的石墨烯纳米带。

以下将通过具体实施例来对发明进行详细说明。

首先执行步骤S100，提供过渡金属基底200，形成如图2所示的结构。在本实施例中， 过渡金属基底200中的金属可以是镍(Ni)、钌(Ru)、铱(Ir)、铂(Pt)、钴(Co)以及它们 中的两个或多个构成的合金中的任一者。

步骤S103，在过渡金属基底200表面涂布光刻胶，形成光刻胶层202，形成如图3所示 的结构。

步骤S105，通过曝光显影将定义图案转移至光刻胶层202上，形成光刻胶图形，形成如 图4所示的结构。在本发明中，上述步骤S105中，所述定义图案可以先定义在掩膜版上，在 在利用曝光显影将所述掩膜版上的定义图案转移至光刻胶层202上，但并不以此为限，在其 他情况下，无需借助掩膜版，直接将定义图案转移至光刻胶层202上，在此不再赘述。

步骤S107，进行碳离子注入工艺，以光刻胶层202为掩膜，在过渡金属基底200内进行 碳离子注入以形成碳离子注入区域204，形成如图5所示的结构。

在本发明中，碳离子注入工艺中的注入角度β是根据所需石墨烯宽度结合光刻胶层202 的掩膜厚度以及光刻胶图形的宽度计算得到的，在这里，所述注入角度β具体指的是注入方 向与过渡金属基底200的法线之间的夹角。由图4所示，由于光刻胶层202的掩膜厚度以及 注入角度β的存在，在过渡金属基底200上就分为由碳离子注入的碳离子注入区域204和被 光刻胶层202遮掩使得碳离子无法注入的遮掩区域206。具体来讲，假设光刻胶202的掩膜厚 度为H，光刻胶图形的宽度为L，注入区域204的宽度为W，遮掩区域206的宽度为S，如此， 即得到遮掩区域206的宽度S＝Hgtanβ，这样，注入区域204的宽度 W＝L-S＝L-Hgtanβ。因此，在光刻胶层202的掩膜厚度一定的情况下，我们可以通过 调整注入角度β，决定碳离子注入区域204的大小。优选地，所述碳离子注入的注入角度β 为5度至45度。另外，在碳离子注入工艺中，碳离子的注入能量为10keV至200keV，注入 剂量为1*10¹⁵/cm^-2至5*10¹⁶/cm^-2。

经过上述步骤S107，可以将碳离子注入到过渡金属基底200的特定区域形成碳离子注入 区域204。如图4所示，可以看到，利用碳离子注入工艺，在过渡金属基底200中形成了多个 (两个甚至以上)碳离子注入区域204。

步骤S109，去除所述光刻胶层202，形成如图6所示的结构。在本发明中，所述去除光 刻胶层202的方法可以采用灰化法，并将过渡金属基底200表面清洗干净，避免光刻胶残留 在过渡金属表面。

步骤S111，进行热退火处理，将碳原子从所述过渡金属基底的碳离子注入区域中析出重 构，在所述过渡金属基底的表面形成宽度接近甚至小于10nm的一维尺度受限的石墨烯纳米 带，形成如图7所示的结构。在本发明中，所述热退火处理包括：在在真空环境或惰性气氛 (例如He、Ne、或Ar)保护下，将过渡金属基底200加热到700℃至1200℃，并保持5分钟 至60分钟后再冷却降温，这样，就可将碳原子从过渡金属基底200的碳离子注入区域204中 析出重构。

经过上述步骤S107，如图7所示，可以看到，在过渡金属基底200表面形成了多条(两 个甚至以上)石墨烯纳米带。

综上所述，本发明提供的一种一维尺度受限的石墨烯纳米带的制备方法是利用在过渡金 属基底表面形成的光刻胶作为注入掩膜，并通过调整注入角度而将碳离子注入有针对性地注 入至过渡金属基底的特定区域而形成碳离子注入区域，再利用热退火处理，将碳原子从碳离 子注入区域析出重构，从而在过渡金属基底表面形成宽度接近甚至小于10nm的一维尺度受 限的石墨烯纳米带。相较于现有技术，本发明的石墨烯纳米带的制备方法，具有制备精确、 制备工艺流程简单、产量高的优点。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技 术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权 利保护范围，应如权利要求书所列。