石墨烯的低溫等離子體制備及摻雜研究.pdf

1、石墨烯（graphene）是一種由碳原子以 sp2雜化軌道組成的六角形晶格結構的只有一個碳原子厚度的二維薄膜材料。石墨烯非常獨特的晶體結構使其擁有非常優(yōu)異的力學、光學、熱學和電學等性質(zhì)。石墨烯是目前世界上已知最薄卻也是最堅硬的納米材料；它幾乎是完全透明的，光吸收率僅為2.3%；導熱系數(shù)高達5300 W/m?K；常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，而電阻率只有約10-6Ω·cm，為目前世界上電阻率最小的材料。為了實現(xiàn)石墨烯材

2、料的廣泛應用，首先要研究出能制備大尺寸高質(zhì)量石墨烯薄膜材料的方法；其次，能夠?qū)κ┍∧さ男再|(zhì)進行精確調(diào)控。所以，關于石墨烯薄膜的制備、特性及改性等是當今科學界研究的一大熱點。
　　目前，能夠制備高質(zhì)量石墨烯薄膜的方法主要有熱化學氣相沉積法（chemical vapor deposition CVD）和高溫熱解SiC外延生長法。但是高溫對生產(chǎn)設備提出了苛刻的要求，此外高溫能耗巨大，這些都成為了工業(yè)生產(chǎn)的弊端。如何降低制備石墨烯薄膜

3、所需的溫度或發(fā)展新的石墨烯薄膜低溫制備技術，對于石墨烯薄膜的應用具有重要的意義。低溫等離子體技術的發(fā)展使得在低溫條件下利用等離子體直接合成或等離子體輔助的材料制備成為可能，也成為當前半導體加工的主流手段。近年來，雙頻容性耦合等離子體（dual frequency capacitively coupled plasma, DF-CCP）作為一種新型的等離子體源，由于其采用了一個高頻電源和一個低頻電源共同驅(qū)動等離子體，因此可以實現(xiàn)離子密度和

4、能量的獨立調(diào)控，因而可能在石墨烯薄膜制備和加工中得到應用。
　　離子束（ion beam）是用電場將離子從一團等離子體中引出來并以近似一致的速度沿幾乎同一方向運動的一群離子。目前，離子束摻雜技術已成為半導體大規(guī)模集成電路生產(chǎn)過程中的一種重要手段。利用離子束技術對石墨烯薄膜進行摻雜改性具有潛在的研究和應用價值。
　　本文主要使用雙頻容性耦合等離子體技術在低溫條件下制備石墨烯薄膜，并對其物理和化學性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究；還使用了低能

5、離子束照射技術對單層石墨烯進行摻雜改性，并詳細研究了其化學成份、晶體結構和表面形貌，主要內(nèi)容包括：
　　（1）探索了雙頻容性耦合等離子體CVD技術沉積與低溫退火處理相結合的石墨烯薄膜的制備方法，實現(xiàn)了在低溫和無催化金屬基片的條件下，直接在石英玻璃基片上沉積了石墨烯薄膜。主要研究了高、低頻電源功率、沉積時間和退火溫度對石墨烯薄膜的層數(shù)及晶體質(zhì)量的影響。實驗結果證明在高、低頻電源功率分別為165W和35W條件下才能制備獲得石墨烯薄膜。

6、沉積時間越短，石墨烯薄膜的層數(shù)越少。而提高退火溫度能有效提高石墨烯薄膜的晶體質(zhì)量。
　?。?）研究了C4F8雙頻容性耦合等離子體預刻蝕 SiC，并經(jīng)過退火后處理在SiC基片表面制備石墨烯薄膜的方法。SiC基片的表面粗糙度和化學成份對石墨烯薄膜的影響很大，因此，首先研究了C4F8/Ar雙頻容性耦合等離子體刻蝕對SiC基片的影響。研究結果表明，當?shù)皖l功率較低時，SiC基片表面粗糙度增加很小，而且表面殘留的碳氟膜較少。與其他等離子體干刻

7、蝕法相比，雙頻容性耦合等離子體能有效抑制碳氟膜在SiC表面的沉積，這對于后續(xù)石墨烯薄膜的制備非常關鍵，同時也為刻蝕SiC提供了一種優(yōu)異的手段。
　　其次，根據(jù)對等離子體刻蝕基片的研究結果，選擇了合理的參數(shù)刻蝕了SiC基片并對樣品進行了退火后處理。研究結果表明，經(jīng)等離子體預刻蝕處理后，可以在低溫條件下（950℃）熱解SiC制備出石墨烯薄膜。在氬氣氣氛下退火能有效提高石墨烯薄膜的晶體質(zhì)量。該方法制備的石墨烯薄膜表面殘留有少量碳氟薄膜，

8、但對石墨烯薄膜質(zhì)量的影響較小。
　?。?）使用低能離子束（≤50 eV）照射手段對單層石墨烯薄膜進行了摻雜改性，研究了在不同能量和劑量條件下，B、N、F離子束照射對石墨烯薄膜的化學成份、晶體結構和表面形貌的影響。實驗結果證明，在注入能量較低的情況下，離子仍然能成功的摻雜進石墨烯，從而有效的降低了石墨烯薄膜摻雜改性所需的離子注入能量。同時，與高能離子束照射相比，低能離子束對石墨烯薄膜造成的損傷非常小，有效的減少了離子束照射對石墨烯薄