一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法

本发明提供一种制备方法，具体涉及一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法。

背景技术：

自首次在石墨烯及其双膜中观察到异常量子霍尔效应以来，衬底支撑石墨烯器件的质量并没有得到改善。在二氧化硅上，载流子迁移率受到来自带电表面状态的散射和缺陷、基片表面粗糙度和二氧化硅表面光学声子的限制。此外，在狄拉克点附近，底物诱导的无序将二维电子气体分解成一个不均匀的电子网络和空穴坑，而被困在衬底或石墨烯-衬底界面的带电杂质导致二维电子气体掺杂远离电荷中性。到目前为止，设计二氧化硅替代品的努力通常涉及到其他氧化物，而类似的表面效应仍然是一个问题。

六方氮化硼有望成为改进石墨烯基器件的理想衬底介质。六方氮化硼是石墨的绝缘异构体，硼原子和氮原子占据伯纳尔结构中的不等价亚晶格。硼原子和氮原子的不同现场能量导致带隙变大，与石墨原子的晶格失配小。由于平面六边形晶格结构的强平面内离子键合，六方氮化硼相对惰性，预计不会出现悬空键或表面电荷陷阱。此外，原子平面应能抑制石墨烯中的波纹，石墨烯已被证明在机械上符合波纹和平坦表面。此外，六方氮化硼的表面光学声子模的能量是二氧化硅中类似模的两倍，这表明六方氮化硼基石墨烯器件的高温和高电场性能可能优于那些使用典型氧化物/石墨烯叠加的器件。

在标准二氧化硅衬底上的石墨烯器件是高度无序的，所表现出的特性远远低于石墨烯的预期固有特性。虽然将石墨烯悬浮在衬底之上可以显著提高器件的质量，但这种几何结构对器件的结构和功能造成了严重的限制。在衬底支撑的几何结构中实现悬浮样样品质量对石墨烯技术的未来发展至关重要.报道了在单晶六方氮化硼衬底上通过机械转移工艺制备和表征了高质量的剥离单层和双层石墨烯器件。变温磁输运测量表明，与二氧化硅负载的石墨烯器件相比，六方氮化硼上的石墨烯器件具有增强的迁移率、降低的载流子不均匀性和降低的固有掺杂。以可控方式组装结晶层状材料的能力为石墨烯电子学的新进展奠定了基础，并使更复杂的石墨烯异质结构得以实现。

技术实现要素：

解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法，用以解决传统制备方法制备石墨烯器件连接不牢固、质量差、工艺复杂的问题。

本发明的目的是提供一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法，有望用于先进制造技术的实现，并可以用于其他二维材料异质结的制备。

本发明实现转移的方法是基于以下原理：

本发明通过根据聚甲基丙烯酸甲酯对样品良好的吸附性以及疏水性，易溶于酮类物质设计了基于石墨烯的异质结的制备方法。

完整的技术方案：

本发明的采用的技术方案是：

a.单晶六方氮化硼的制备实现方法为：

a1.将所要剥离的六方氮化硼块体层状薄片置于透明胶带上；

a2.进行反复黏贴剥离六方氮化硼块体材料，使其变为较薄的层状薄片；

a3.将胶带上层状薄片转移到硅晶片基底上，静止一段时间后将胶带缓慢剥离，使六方氮化硼置留在硅晶片基底上；

a4.在光学显微镜下寻找单层或者多层六方氮化硼层状材料。

b.单晶石墨烯的制备实现方法为：

b1.将所要剥离的石墨烯块体层状薄片置于透明胶带上；

b2.进行反复黏贴剥离石墨烯块体材料，使其变为较薄的层状薄片；

b3.将胶带上层状薄片转移到水溶性层、聚甲基丙烯酸甲酯以及硅晶片基底组成的聚合物基片上；

b4.将聚合物基片漂浮在去等离子水表面。

c.石墨烯基二维异质结的制备实现方法：

c1.水溶性聚合物溶解，硅衬底下沉至去等离子水底部，留下及其疏水的聚甲基丙烯酸甲酯漂浮在顶部；

c2.聚甲基丙烯酸甲酯膜粘附在玻璃转移载玻片上，载玻片被夹在光学显微镜上的显微操作器的臂上；

c3.使用显微镜，使石墨烯片与目标六方氮化硼精确对准，两者接触；

c4.在转移过程中，将目标衬底加热，以去除吸附在石墨烯或六方氮化硼薄片表面的水，并促进聚甲基丙烯酸甲酯与目标衬底的良好粘附；

c5.转移后，聚甲基丙烯酸甲酯溶解在丙酮中，之后样品在流动的氢气、氩气环境中退火以去除抗蚀剂残留物。

作为一种优选方案，所述步骤b3中将石墨烯直接剥离在聚甲基丙烯酸甲酯上，而未沉积在其他透明材料上，可以有效避免二者粘合后介质间隙或转移过程中杂质对异质结的干扰，保证成品质量。

有益效果：

本发明通过根据聚甲基丙烯酸甲酯对样品良好的吸附性以及疏水性，设计了基于石墨烯的异质结的制备方法。

通过本发明所提供的基于石墨烯的异质结制备方法，提升了异质结制备的精度，提高了异质结的质量，加快了规模化商业应用，节省了成本。

附图说明

图1为本发明的单晶石墨烯、六方氮化硼的制备方法示意图，其中单晶六方氮化硼衬底为285nm热氧化物的硅晶片，单晶石墨烯衬底为由聚甲基丙烯酸甲酯、水溶性层以及硅晶片组成的聚合物基质上。

图2为本发明的异质结的制备流程示意图。

具体实施例：

该发明专利图例中，1是六方氮化硼薄片，2是胶带，3是硅晶片衬底，4是石墨烯薄片，5是聚合物基质，6是聚甲基丙烯酸甲酯，7是水溶性层，8是硅晶片，9是去等离子水。

本制备方法具体实施步骤如下:

1.获得单晶六方氮化硼

将所要剥离的六方氮化硼块体层状薄片置于透明胶带上，进行反复黏贴剥离六方氮化硼块体材料，使其变为较薄的层状薄片，将胶带上层状薄片转移到硅晶片基底上，静止一段时间后将胶带缓慢剥离，使六方氮化硼置留在硅晶片基底上，硅晶片平整厚度在285nm,在光学显微镜下寻找单层或者多层六方氮化硼层状材料。

2.获得单晶石墨烯

将所要剥离的石墨烯块体层状薄片置于透明胶带上,进行反复黏贴剥离石墨烯块体材料，使其变为较薄的层状薄片,将胶带上层状薄片转移到水溶性层、聚甲基丙烯酸甲酯以及硅晶片基底组成的聚合物基片上。

3.异质结的制备

将聚合物基片漂浮在去等离子水表面，水溶性聚合物溶解，硅衬底下沉至去等离子水底部，留下及其疏水的聚甲基丙烯酸甲酯漂浮在顶部。聚甲基丙烯酸甲酯膜粘附在玻璃转移载玻片上，载玻片被夹在光学显微镜上的显微操作器的臂上。使用显微镜，使石墨烯片与目标六方氮化硼精确对准，两者接触。在转移过程中，将目标衬底加热至110℃，以去除吸附在石墨烯或六方氮化硼薄片表面的水，并促进聚甲基丙烯酸甲酯与目标衬底的良好粘附。转移后，聚甲基丙烯酸甲酯溶解在丙酮中，之后样品在340℃流动的氢气、氩气环境中退火3.5小时以去除抗蚀剂残留物。

技术特征：

1.本发明的一种基于石墨烯的二维异质结的机械转移制备方法，其特征在于，首先将六方氮化硼单晶剥离到涂有热氧化物的硅晶片上；石墨烯被单独剥离到由水溶性层和聚甲基丙烯酸甲酯膜组成的聚合物压板上；其次，在水溶性聚合物溶解之后，硅晶片衬底沉到浴槽的底部，极疏水的聚甲基丙烯酸甲酯分离漂浮在水面上；然后，利用显微镜操作将石墨烯精确地对准六方氮化硼，使两者接触；最后，将聚甲基丙烯酸甲酯膜溶解在有机溶剂丙酮中，然后在流动的h2/ar气体环境中对样品进行退火操作。

2.如权利要求1所述一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法，其特征在于，其制备石墨烯器件的介质材料紧密贴合在一起，没有间隙干扰。

3.如权利要求2所述一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法，其特征在于，硅晶片基底平整均匀，且厚度为285nm。

4.如权利要求1所述一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法，其特征在于，使用机械剥离法制备六方氮化硼单晶。

5.如权利要求1所述一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法，其特征在于，在转移过程中，目标基板被加热到110℃，以努力赶走吸附在石墨烯或六方氮化硼薄片表面的任何水，并促进聚甲基丙烯酸甲酯对目标基板的良好附着力。

6.如权利要求1所述一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法，其特征在于，一旦转移，聚甲基丙烯酸甲酯就溶解在有机溶剂丙酮中。

7.如权利要求1所述一种基于石墨烯的二维异质结的制备方法，其特征在于，所有的样品在流动的h2/ar气体环境中340℃下退火3.5小时，以去除残留的抗蚀剂。

技术总结
本发明公开了一种基于石墨烯的二维异质结的机械转移制备方法。该制备方法中，在单晶六方氮化硼衬底上通过机械转移工艺制备和表征了高质量的剥离单层和双层石墨烯器件。该方法制备的基于六方氮化硼的石墨烯器件，与二氧化硅负载的石墨烯器件相比，具有更强的迁移率，降低载流子的不均匀性和降低固有掺杂。以可控方式组装结晶层状材料为石墨烯电子学的进展奠定了基础，并使制备更加复杂的石墨烯异质结构得以实现。本发明方法，制备的石墨烯器件结构稳固、结合紧密、性能优越，可用于高质量石墨烯器件制备。

技术研发人员：邢飞;姬广民;李宗文;吴田鸽;韩雪;田敬坤
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2021.01.11
技术公布日：2021.05.07