一种石墨烯表面气体分子吸附过程的监测方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯器件表面气体分子吸附过程的监测方法，该方法主要通过监测石墨烯器件的转移特性，尤其是狄拉克点位置，实时监控器件中石墨烯表面的气体吸附动态过程，即从清洁石墨烯表面至分子饱和吸附的全过程，并可较为精确地测量该过程所需时间。

说明书

技术领域

本发明提出了一种石墨烯表面气体分子吸附过程的监测方法，可用于在短期环境下实时 监控石墨烯器件表面气体分子吸附的动态过程,估测石墨烯器件表面完全被气体分子吸附的 时间，在化学、物理学、材料学、微纳电子学等领域具有应用前景。

背景技术

石墨烯是二维平面晶体材料，集多种优异特性于一身，具有良好的力学、电学等性质和 广阔的应用前景。最近基于石墨烯的传感器引起了强烈的关注，仅石墨烯厚度仅一个碳原子， 且有超大的比表面积，能够达到2630m²/g，具有优异的气体分子吸附性能。

目前石墨烯薄膜对气体分子吸附的探测主要通过检测气体分子吸附前后的电导变化。气 态分子吸附物具有不同的组成和结构，能够与石墨烯在不同的模式进行交互。石墨烯在大气 环境下通常呈p-型半导体，当它被暴露于其它各种气体，其电导的响应方向可能是不同的。 例如NO₂吸附在石墨烯表面(作为一种掺杂)可改变石墨烯的电子浓度浓度，从而改变石墨烯 的电导，检测电导变化即可检测NO₂。

发明内容

本发明目的在于提供一种方法，可实时动态监控石墨烯器件表面气体分子吸附过程。

本发明可通过如下技术方案实现：

一种石墨烯表面气体分子吸附过程的监测方法，包括如下步骤：

(1)制备石墨烯器件样品，该石墨烯器件包括源漏金属电极和石墨烯沟道；

(2)将样品放置于拉曼光谱系统光学显微镜的激光出射口下方。调整样品位置到显微镜视 野内，调节显微镜焦距，并聚焦到石墨烯沟道表面；

(3)用低能量的聚焦激光束对准石墨烯沟道表面，此时激光强度应在3mW以下，以保证 激光斑很小，定位精确；

(4)用较高能量的激光束照射或扫描石墨烯沟道表面，控制激光强度和时间，去除石墨烯 沟道表面的空气、水等分子，从而得到清洁的石墨烯沟道表面；高能激光束强度为 10～40mW，时间在10min至5s范围之内；

(5)去除石墨烯沟道表面分子后，迅速原位测量石墨烯器件样品的电学特性，即利用探针 台或集成于Raman光谱仪的探针台和半导体参数分析仪测试石墨烯器件的转移特性曲线，即 源漏电流随背栅电压的变化。每隔一定时间，测试一条转移特性曲线，直到前后两次的转移 特征曲线不发生变化为止。即一旦关闭激光，空气中的气体分子即开始吸附到石墨烯沟道的 表面上，从而使石墨烯器件的转移特性(I-Vg)曲线发生变化，当I-Vg稳定时石墨烯表面气体 分子吸附随即达到饱和；通过监控石墨烯器件I-Vg曲线监控石墨烯器件表面气体分子吸附过 程，并通过测量I-Vg曲线稳定过程，估测分子吸附石墨烯表面所需时间。

本发明的技术效果如下：

(1)本发明可实时、动态监控石墨烯器件表面气体分子吸附过程。

(2)本技术可针对局部石墨烯表面，适用于监控石墨烯器件整体或局部解吸附过程，且监 控过程不影响石墨烯其它区域。

(3)本技术通过即时测量石墨烯器件转移特性曲线，监控石墨烯表面从气体分子吸附至表 面吸附饱和全过程，可较为精确地测量石墨烯器件分子饱和吸附所需的时间。

附图说明

图1石墨烯背栅场效应晶体管：(a)器件表面AFM形貌图，上方为器件源电极1，下方 为器件漏电极2；(b)样品中石墨烯沟道3对应位置的拉曼光谱图，峰强比I_2D/I_G～1。

图2是实施例中石墨烯分子吸附过程监测结果：(a)石墨烯背栅场效应晶体管狄拉克点 随时间的变化曲线；(b)激光处理前，器件的转移特性曲线；(c)激光处理后的不同时间内， 器件的转移特性曲线，时间延长所对应的曲线如箭头所示，可见随着时间的推移，转移特性 曲线往右移动；(d)石墨烯器件激光处理后第338分钟所测得的转移特性曲线，此时转移特 性曲线不随时间变化，分子吸附即达饱和。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一 步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和 范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发 明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

本发明提供的石墨烯表面气体分子吸附过程的监测方法，具体包括如下步骤：

(1)石墨烯材料的制备

利用机械剥离方法制备石墨烯，选用透明胶带，多次剥离高取向石墨鳞片，并将胶带上 的石墨烯转移到目标SiO₂/Si衬底上，Si为低阻硅，SiO₂为热氧化生长，厚度通常为300 nm。

(2)图形化与源漏电极的制备

通过微加工工艺，结合电子束曝光(EBL)和氧等离子体刻蚀(ICP)的方法，对石墨烯图形 化并定义源漏电极，再利用电子束蒸发的方法蒸镀金属并剥离，完成源漏金属电极的制备， 源漏电极之间即为晶体管的沟道区域。

(3)背栅器件激光处理前电学性能测试

样品置样品于常温探针台上，并用半导体参数分析仪测试石墨烯背栅场效应晶体管的转 移特性曲线，即源漏电流随背栅电压的变化曲线(I-Vg)。

(4)对沟道区进行激光处理，使石墨烯表面气体解吸附

将样品放置于拉曼光谱系统的激光出射口下方，用<2mW的低能聚焦激光束，在显微镜 下找到待处理样品表面的具体位置。用2mW的激光束采集处理前的石墨烯拉曼光谱图。然后 用30mW的高能聚焦激光束照射样品表面一段时间，使气体解吸附。再用2mW的激光束采集 张处理后的石墨烯拉曼光谱图，与处理前光谱进行对比，判断处理过程对石墨烯材料有无损 伤，即有无D峰出现。

(5)背栅器件激光处理后电学性能测试

待激光处理完毕，迅速将样品置于探针台上，测试石墨烯背栅器件的转移特性，并每隔 一定时间，测试一条转移特性曲线，直到前后两次的转移特征曲线不发生变化为止。

(6)石墨烯表面气体吸附时间

将激光处理前后的所有转移特性曲线绘制在同一图中进行对比，分析石墨烯器件的电学 性能变化情况，在利用激光处理清洁石墨烯表面前，石墨烯器件的狄拉克点(电流最低点所对 应的位置)通常在V_bg>0V区域，此因石墨烯表面吸附分子对器件p型掺杂；当经激光处理后， 开始时狄拉克点会向V_bg＝0V位置移动，说明p型掺杂源减少；但随着时间的延长，狄拉克点 位置逐渐向右移动，p型掺杂加重，当狄拉克点不再移动，石墨烯表面的气体分子吸附即达饱 和。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技 术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发 明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱 离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同 变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。