一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法技术

本发明专利技术提供一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，包括步骤：首先，提供一衬底，在所述衬底表面形成石墨烯层；然后将生长有所述石墨烯层的衬底置于ALD腔体中，并将所述ALD腔体温度升至设定值，并通入至少一个循环的去离子水，提高吸附在所述石墨烯层表面的H2O/O2分子对中H2O的浓度，从而使H2O/O2分子对中O2的浓度相对降低，形成N型石墨烯层。本发明专利技术的水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，不会破坏石墨烯晶体结构，易于硅基集成，简单高效，且该法制备的N型石墨烯层具有可逆性，在高温退火下可被修复形成P型石墨烯层或本征石墨烯层。

【技术实现步骤摘要】
一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法
本专利技术属于石墨烯的制造领域，涉及一种可逆N型石墨烯的制备方法，特别是涉及一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是一种碳原子以sp2杂化轨道组成六角形，呈蜂巢晶格排列的单层二维晶体。2004年，Novoselov和Geim的团队用微机械剥离法制备出室温下可以稳定存在的石墨烯,掀起了石墨烯研究的热潮。近年来,石墨烯的材料制备、转移、表征以及在半导体，化学等功能器件上的应用的一系列研究相继展开，进展迅速。由于石墨烯独特的零带隙能带结构，室温下超高的电子迁移率(理论上可达200,000cm2·V-1·s-1)，近弹道传输的电子性质(电子的平均自由程达亚微米量级)，高导热性等特点，从晶体管到化学传感器，再到纳米机电器件等领域有着很大的应用潜力。为了进一步拓宽石墨烯的应用，需对石墨烯进行有效掺杂。石墨烯在曝露于空气中后，由于会自吸附一些气体分子，如H2O/O2分子对等，导致其通常呈现出P型掺杂状态，因此，如何制备N型石墨烯是研究的难点和热点。目前存在的N型掺杂方式一般有三种：一是通过等离子体如NH3，H2等对石墨烯进行表面处理；二是通过离子注入等方式将石墨烯中的部分C原子替换成B等其它原子；三是在石墨烯表面旋涂一层有机物，基于电荷转移掺杂方式对石墨烯形成N掺。等离子体处理和原子替换这两种方式均对石墨烯结构造成破坏，导致其迁移率显著下降。而电荷转移掺杂虽不会破坏石墨烯结构，但有机物的引入会污染样品或设备，且不利于硅基集成。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，用于解决现有技术中制备N型石墨烯的方法会破坏石墨烯晶体结构、硅基集成难的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成石墨烯层；2)将生长有所述石墨烯层的衬底置于ALD腔体中，并将所述ALD腔体温度升至设定值，并通入至少一个循环的去离子水，提高吸附在所述石墨烯层表面的H2O/O2分子对中H2O的浓度，从而使H2O/O2分子对中O2的浓度相对降低，形成N型石墨烯层。可选地，所述步骤1)中，形成于所述衬底表面的石墨烯层，暴露在空气中时，表面物理吸附H2O/O2分子对使所述石墨烯层转变为P型石墨烯层。可选地，以步骤2)中形成的所述N型石墨烯层表面的水分子作为成核点，在所述N型石墨烯层表面生长高k介质层，作为隔离层。可选地，所述高k介质层为Al2O3或者HfO2。可选地，对所述步骤2)中的N型石墨烯层进行高温热退火处理，所述N型石墨烯层可逆转变为P型石墨烯层。可选地，所述高温热退火处理包括：在真空环境或惰性气氛中，在400℃～600℃温度下，保持0.5～3分钟后冷却降温。可选地，通入1～5个循环的所述去离子水。可选地，所述衬底为半导体衬底、绝缘衬底或者柔性衬底。可选地，所述半导体衬底为Si、Ge或GaN中的一种，所述绝缘衬底为SiO2、Al2O3或HfO2中的一种，所述柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯。可选地，所述步骤2)中，所述设定值的范围为80～130℃。如上所述，本专利技术的水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，包括步骤：首先，提供一衬底，在所述衬底表面形成石墨烯层；然后将生长有所述石墨烯层的衬底置于ALD腔体中，并将所述ALD腔体温度升至设定值，通入至少一个循环的去离子水，提高吸附在所述石墨烯层表面的H2O/O2分子对中H2O的浓度，从而使H2O/O2分子对中O2的浓度相对降低，形成N型石墨烯层。本专利技术的水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，不会破坏石墨烯晶体结构，易于硅基集成，简单高效，且该法制备的N型石墨烯层具有可逆性，在高温退火下可被修复形成P型石墨烯层。附图说明图1～4为本专利技术水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法的结构流程示意图。元件标号说明10衬底20石墨烯层30N型石墨烯层40高k介质层具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅附图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本专利技术提供一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：首先，如图1所示，提供一衬底10，在所述衬底10表面形成石墨烯层20。所述衬底10可以是Si、Ge、GaN等半导体中的任一种、或者是SiO2、Al2O3、HfO2等绝缘体中的任一种，还可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等柔性衬底中的任一种。本实施例中，所述衬底10为半导体Si衬底。所述石墨烯层20可以通过化学气相沉积(CVD)生长转移到衬底，也可以是直接通过机械剥离的方法得到。本实施例优选为采用CVD生长转移得到，即，先通过化学气相沉积工艺将石墨烯层20生长在一目标衬底上，之后再将石墨烯层20转移至本专利技术的衬底10表面。需要说明的是，形成在衬底10表面的石墨烯层20，暴露在空气中时，表面物理吸附自吸附一些气体分子，如H2O/O2分子对等，使所述石墨烯层20转变为P型石墨烯层。然后，如图2所示，将生长有所述石墨烯层20的衬底置于ALD腔体中，并将所述ALD腔体温度升至设定值，通入至少一个循环的去离子水，提高吸附在所述石墨烯层20表面的H2O/O2分子对中H2O的浓度，从而使H2O/O2分子对中O2分的浓度相对降低，形成N型石墨烯层30。进行去离子水处理前，ALD腔体内需要抽真空。ALD腔体温度设置在80～130℃，优选地，所述ALD腔体温度设置为100℃，该温度下水蒸气最易被吸附在石墨烯层表面，使石墨烯层表面的水分子浓度明显提高。水基原子层沉积技术(Atomiclayerdeposition，ALD)可对石墨烯层表面进行水前处理，提高吸附在石墨烯表面H2O/O2分子对中H2O的浓度，同时降低O2的相对浓度，从而调节H2O/O2分子对的费米能级，电子自发的从H2O/O2分子对中转移到石墨烯中，从而使得P型石墨烯转变为N型石墨烯。优选地，通入1～5个循环的去离子水为最佳。所述去离子水可以利用N2气作为载气通入ALD腔体中。接着，如图3所示，在所述N型石墨烯层30表面形成高k介质层40，该过程也是在ALD腔体中完成。以所述N型石墨烯层30表面的水分子作为成核点，所述高k介质层40可以形成在所述N型石墨烯层30表面。在室温下，形成的高k介质层40作为隔离层，可以有效地隔绝外界环境对N型石墨烯层30的影响，使得该方法制备的N型石墨烯层30在室温下具有一定的稳定性。所述高k介质层40为Al2O3或者HfO2等绝缘材料。本实施例中，所述高k介质层40为Al2O3如果有需要，可以将N型石墨烯层30可逆转变为P型石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成石墨烯层；2)将生长有所述石墨烯层的衬底置于ALD腔体中，并将所述ALD腔体温度升至设定值，并通入至少一个循环的去离子水，提高吸附在所述石墨烯层表面的H2O/O2分子对中H2O的浓度，从而使H2O/O2分子对中O2的浓度相对降低，形成N型石墨烯层。

【技术特征摘要】
1.一种水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成石墨烯层；2)将生长有所述石墨烯层的衬底置于ALD腔体中，并将所述ALD腔体温度升至设定值，并通入至少一个循环的去离子水，提高吸附在所述石墨烯层表面的H2O/O2分子对中H2O的浓度，从而使H2O/O2分子对中O2的浓度相对降低，形成N型石墨烯层。2.根据权利要求1所述的水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，形成于所述衬底表面的石墨烯层，暴露在空气中时，表面物理吸附H2O/O2分子对使所述石墨烯层转变为P型石墨烯层。3.根据权利要求1所述的水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，其特征在于：以步骤2)中形成的所述N型石墨烯层表面的水分子作为成核点，在所述N型石墨烯层表面生长高k介质层，作为隔离层。4.根据权利要求3所述的水基ALD诱使的可逆N型石墨烯制备方法，其特征在于：所述高k介质层为Al2O3或者HfO2。5.根据权利要求1～4任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：程新红，郑理，王中健，曹铎，王谦，沈玲燕，张栋梁，俞跃辉，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31