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1、(10)申请公布号 CN 101979315 A(43)申请公布日 2011.02.23CN101979315A*CN101979315A*(21)申请号 201010546602.9(22)申请日 2010.11.16C01B 31/04(2006.01)(71)申请人中国科学院微电子研究所地址 100029 北京市朝阳区北土城西路3号中科院微电子所申请人中国科学院嘉兴微电子仪器与设备工程中心(72)发明人夏洋 饶志鹏 刘键(74)专利代理机构北京市德权律师事务所 11302代理人王建国(54) 发明名称一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法(57) 摘要本发明涉及石墨烯的制备技术，具体涉及一种单。
2、原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在碳化硅衬底表面进行化学吸附；所述的碳源气体与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的副产物，直到碳化硅衬底表面的碳源气体完全消耗；所述卤代反应停止后，相应的副产物经过光照在碳化硅衬底表面形成单原子层石墨烯薄膜。本发明利用原子层沉积技术制备石墨烯薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的石墨烯薄膜结构完整，厚度均一，并为单原子层厚度。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1。
3、 页 说明书 4 页 附图 1 页CN 101979320 A 1/1页21.一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在碳化硅衬底表面进行化学吸附；所述碳源气体与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的副产物，直到碳化硅衬底表面的碳源气体完全消耗；所述卤代反应停止后，相应的副产物经过光照在碳化硅衬底表面形成单原子层石墨烯薄膜。2.如权利要求1所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述碳化硅衬底选用结晶取向为(0001)的晶面，且以碳原子为终端。3。
4、.如权利要求2所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述在将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的步骤之前还包括：对碳化硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成碳氢键。4.如权利要求1所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述碳源气体为重氮甲烷或乙烯酮。5.如权利要求4所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述重氮甲烷或乙烯酮在碳化硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照或者低温加热，所述重氮甲烷或乙烯酮经过光照或低温加热的分解产物具有未成键电子。6.如权利要求5所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述第二反应前驱体为气态碘单质。7.如权利要求6所述的单原子。
5、层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述重氮甲烷或乙烯酮与所述气态碘单质发生卤代反应，使得重氮甲烷或乙烯酮中除碳以外的其他官能团被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键。8.如权利要求7所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述碳碘键通过光照发生断裂，碳原子自发成键在碳化硅衬底表面形成石墨烯。9.如权利要求1所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述卤代反应是在光照条件下进行的。10.如权利要求1所述的单原子层石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：所述原子层沉积设备反应腔在通入第一反应前驱体或第二反应前驱体的前后均通入惰性气体；所述惰性气体为氩气或氮气。权 利 要 求 书CN 1019。
6、79315 ACN 101979320 A 1/4页3一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法技术领域0001 本发明涉及石墨烯的制备技术，具体涉及一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法。背景技术0002 自从2004年科学家成功剥离出石墨烯后，石墨烯立刻引起了大家广泛的关注。这是因为石墨烯具有良好的力学、热学和电学性质。在力学方面：石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。在热学方面：石墨烯的出现打破了理论和实验界认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在的观点，这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。在电学方面：稳定。
7、的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为，其霍尔电导等于2e2/h，6e2/h，10e2/h，.，为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。石墨烯的这些特性使得它在电子学、氢储存、纳米器件及固态气敏传感器等领域有着重要的应用。0003 石墨烯要能广泛的应用，其前提是要制得严格意义上具有单层厚度的石墨烯材料。而目前常使用的方法有机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化石墨还原法。机械剥离法可以获得质量很高的石墨烯样品，但是其操作步骤繁琐，效率低，产量小。外延生长法和化学气相沉积法都是在高温下分解化合物，除能耗。
8、大外，衬底对产物的影响也是需要考虑的一个问题。氧化石墨还原法所使用的氧化剂对石墨层有破坏作用，所得的石墨烯质量差且有较多的缺陷。以上各种方法还有一个缺陷，即不能制得厚度均一且具有单原子层厚度的石墨烯材料。发明内容0004 本发明要解决的问题是提供一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，该方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的石墨烯薄膜结构完整，厚度均一，为单原子层厚度。0005 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：0006 将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；0007 向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱。
9、体在碳化硅衬底表面进行化学吸附；0008 所述碳源气体与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的副产物，直到碳化硅衬底表面的碳源气体完全消耗；0009 所述卤代反应停止后，相应的副产物经过光照在碳化硅衬底表面形成单原子层石墨烯薄膜。0010 上述方案中，所述碳化硅衬底选用结晶取向为(0001)的晶面，且以碳原子为终端。0011 上述方案中，所述在将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的步骤之前还说 明 书CN 101979315 ACN 101979320 A 2/4页4包括：对碳化硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成碳氢键。0012 上述方案中，所述碳源气体为重氮甲烷或乙烯酮。00。
10、13 上述方案中，所述重氮甲烷或乙烯酮在碳化硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照或者低温加热，所述重氮甲烷或乙烯酮经过光照或低温加热的分解产物具有未成键电子。0014 上述方案中，所述第二反应前驱体为气态碘单质。0015 上述方案中，所述重氮甲烷或乙烯酮与所述气态碘单质发生卤代反应，使得重氮甲烷或乙烯酮中除碳以外的其他官能团被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键。0016 上述方案中，所述碳碘键通过光照发生断裂，碳原子自发成键在碳化硅衬底表面形成石墨烯。0017 上述方案中，所述卤代反应是在光照条件下进行的。0018 上述方案中，所述原子层沉积设备反应腔在通入第一反应前驱体或第二反应前驱体的前后均通入。
11、惰性气体；所述惰性气体为氩气或氮气。0019 与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：0020 本发明利用原子层沉积技术制备石墨烯薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的石墨烯薄膜结构完整，厚度均一，并为单原子层厚度。附图说明0021 图1为本发明实施例提供的重氮甲烷或乙烯酮与碳化硅衬底进行化学吸附的过程示意图；0022 图2为本发明实施例提供的重氮甲烷或乙烯酮与气态碘单质进行卤代反应形成石墨烯薄膜的过程示意图；0023 图3为本发明实施例提供的具有单原子层厚度的石墨烯薄膜的俯视图。具体实施方式0024 下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。0025 实施例1。
12、：0026 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：0027 步骤101，在50-1000等离子体条件下，通入氢气1分钟-60分钟，对结晶取向为(0001)晶面的、以碳原子为终端的碳化硅衬底进行氢化处理，使碳化硅衬底表面形成C-H键，如图1中a图所示；将进行氢化处理后的碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；0028 步骤102，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入重氮甲烷2分钟-60分钟，同时用波长为270nm-350nm的紫外光照射，使重氮甲烷分解，分解产物具有未成键电子，重氮甲烷分解的化学表达式为：0029 如图1中b图所示；003。
13、0 分解产物碳烯(：CH2)和碳化硅衬底发生插入反应，反应的化学表达式为：说 明 书CN 101979315 ACN 101979320 A 3/4页5即在碳化硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；0031 步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，排出未反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质2分钟-60分钟，如图2中a图所示，同时用波长为350nm-450nm的高压汞灯照射，使得碳化硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：如图2中b图所示；0032 步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气。
14、5分钟-20分钟，排出未反应的气态碘单质，用日光灯照射碳化硅衬底表面，使得碳碘键断裂，剩下的碳原子自发成键形成碳单质的结构，如图2中c图所示；所得物质即为具有单原子层厚度、结构完整的石墨烯薄膜，如图3所示。0033 上述实施例中，使重氮甲烷分解的条件不局限于紫外光照射，还可以进行低温加热；上述实施例中，在通入重氮甲烷或气态碘单质的前后所通入的惰性气体不局限于氩气，还可以是氦气。0034 实施例2：0035 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：0036 步骤101，在50-1000等离子体条件下，通入氢气1分钟-60分钟，对(0001)晶面的、以碳原子为终端的碳化硅衬底进行氢化处理，。
15、使碳化硅衬底表面形成C-H键，如图1中a图所示；将进行氢化处理后的碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；0037 步骤102，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入乙烯酮2分钟-60分钟，同时用波长为270nm-350nm的紫外光照射或低温加热，使乙烯酮分解，分解产物具有未成键电子，乙烯酮分解的化学表达式为：0038 如图1中b图所示；0039 分解产物碳烯(：CH2)和碳化硅衬底发生插入反应，反应的化学表达式为：即在碳化硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；0040 步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，排出未反应的。
16、重氮甲烷，再通入气态碘单质2分钟-60分钟，如图2中a图所示，同时用波长为350nm-450nm的高压汞灯照射，使得碳化硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：如图2中b图所示；0041 步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟-20分钟，排出未反应的气说 明 书CN 101979315 ACN 101979320 A 4/4页6态碘单质，用日光灯照射碳化硅衬底表面，使得碳碘键断裂，剩下的碳原子自发成键形成碳单质的结构，如图2中c图所示；所得物质即为具有单原子层厚度、结构完整的石墨烯薄膜，如图3所示。0042 上述实施例中，在通入乙烯酮或气态碘单质的前后所通入的惰性气体不局限于氩气，还可以是氦气。0043 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说 明 书CN 101979315 ACN 101979320 A 1/1页7图1图2图3说 明 书 附 图CN 101979315 A。