本發(fā)明涉及低維材料和新材料領(lǐng)域，具體涉及一種制備石墨烯納米帶的方法。

背景技術(shù)：

石墨烯獨(dú)特的性質(zhì)包括：最薄、最牢固、高熱導(dǎo)率、高硬度、高電子遷移率、零有效質(zhì)量、高導(dǎo)熱率等，在下一代光電器件、透明導(dǎo)電膜、傳感器等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。尤其是其電子遷移率在常溫下超過(guò)15000cm²/Vs，被期待替代硅用來(lái)發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或光電器件。石墨烯納米帶(GNRs)作為石墨烯的一種結(jié)構(gòu)，傳承了石墨烯的許多優(yōu)異性能，同時(shí)破壞了石墨烯的平移對(duì)稱(chēng)性，由于量子限域效應(yīng)，有一定的帶隙。是極具潛力的新型碳基納米材料，這是石墨烯電子器件應(yīng)用的重要突破，具有更大的潛在實(shí)用價(jià)值。

GNRs的制備方法主要可以分為:物理法、化學(xué)法、以碳納米管為原料制備GNRs等；其中，(1)物理法主要有微機(jī)械剝離法、刻蝕法等，這種方法制備的GNRs寬度小，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量、邊緣構(gòu)型和尺寸可控的制備，且這種方法使用的設(shè)備較復(fù)雜、昂貴；(2)化學(xué)法主要有化學(xué)氣相沉積法、有機(jī)合成法等，這種可以實(shí)現(xiàn)大批量制備的方法，但是需要進(jìn)行襯底腐蝕、樣品轉(zhuǎn)移而引入的缺陷、污染，破壞結(jié)構(gòu)完整性。(3)以碳納米管(CNTs)為原料制備GNRs包括插層剝落法、插層剝落法等，該方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，制得的GNRs尺寸范圍窄、邊緣平滑，但是若CNTs未充分裂解，容易形成CNTs/GNRs的混合物。真正能實(shí)現(xiàn)尺寸精度高、寬度窄、產(chǎn)量高、缺陷少、各項(xiàng)性質(zhì)優(yōu)異的制備方法是很難的。碳化硅襯底本身具有的原子臺(tái)階和平整解理面的特點(diǎn)，直接采用碳化硅外延法生長(zhǎng)石墨烯，可在碳化硅在臺(tái)階上生長(zhǎng)成為石墨烯納米帶，這種方法設(shè)備要求低，制得的GNRs缺陷少、尺寸可控、無(wú)需剝離。

韓國(guó)Qingsong Huang(Width-Tunable Graphene Nanoribbons on a SiC Substrate with a Controlled Step Height)報(bào)道了在碳化硅襯底上可控制備石墨烯納米帶，利用低壓腐蝕法在碳化硅襯底上制備高度可變的臺(tái)階(1～100nm)，然后利用外延生長(zhǎng)的方法，在臺(tái)階的側(cè)面上生長(zhǎng)出石墨烯納米帶。側(cè)面生長(zhǎng)的石墨烯納米帶不利于后期器件工藝，本發(fā)明在臺(tái)階上可控生長(zhǎng)的石墨烯納米帶，解決了這一問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種制備石墨烯納米帶的方法，其在臺(tái)階上可控生長(zhǎng)的石墨烯納米帶，解決了側(cè)面生長(zhǎng)的石墨烯納米帶不利于后期器件工藝的問(wèn)題

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種制備石墨烯納米帶的方法，所述方法包括如下步驟：

1)在碳化硅襯底上制備單原子層臺(tái)階，具體為：首先對(duì)碳化硅襯底片做拋光處理；然后對(duì)襯底片進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括化學(xué)清洗、氫刻蝕和去除氧化物，直至得到具有周期性單原子層光滑臺(tái)階的碳化硅襯底片；

2)在步驟1)所獲得的具有單原子層臺(tái)階的碳化硅襯底片上直接采用碳化硅外延法生長(zhǎng)石墨烯納米帶。

進(jìn)一步，所述單原子層光滑臺(tái)階是指單個(gè)臺(tái)階高度為一個(gè)原子層厚度的臺(tái)階。

進(jìn)一步，所述臺(tái)階的寬度為20nm～10μm。

進(jìn)一步，步驟1)中的所述化學(xué)清洗具體為：

a)將拋光處理后的SiC襯底片浸在氨水、雙氧水、去離子水混合液中煮沸5～30min，用去離子水清洗3～5次；

b)將步驟a)中處理后的SiC襯底片浸入鹽酸、雙氧水、去離子水的混合液中，煮沸5～30min，去離子水清洗3～5次；

c)將步驟b)中處理后的SiC襯底片放入3％～20％的HF溶液中1～10min，之后用去離子水沖洗。

進(jìn)一步，步驟a)中的所述氨水、雙氧水、去離子水混合液中氨水、雙氧水和去離子水的體積比為：1:2:5～1:1:1。

進(jìn)一步，步驟b)中的所述鹽酸、雙氧水、去離子水的混合液中鹽酸、雙氧水、去離子水的體積比為：1:2:8～1:1:1。

進(jìn)一步，步驟1)中的所述氫刻蝕的偏角為1°～8°，溫度1000℃～2000℃，H₂流量20L/min～100L/min，壓力50mbar～150mbar,時(shí)間5min～120min。

進(jìn)一步，步驟1)中的所述去除氧化物具體為：將SiC襯底片置于高溫爐中，所述高溫爐內(nèi)的溫度為700℃～1500℃，H₂流量為0.5L/min～10L/min，壓力為50mbar～100mbar，保持時(shí)間5min～2h。

進(jìn)一步，步驟2)中的碳化硅外延法生長(zhǎng)石墨烯納米帶的生長(zhǎng)溫度為1000℃～2000℃，Ar流量5L/min～50L/min，壓力600mbar～900mbar，生長(zhǎng)時(shí)間為5min～5h。

本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

本發(fā)明利用了碳化硅本身具有的原子臺(tái)階和平整解理面的特點(diǎn)，直接采用碳化硅外延法生長(zhǎng)石墨烯，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度、壓強(qiáng)等條件使石墨烯在臺(tái)階上生長(zhǎng)成為尺寸可調(diào)的石墨烯納米帶；成功解決了側(cè)面生長(zhǎng)的石墨烯納米帶不利于后期器件工藝的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1是具有單原子層臺(tái)階的SiC原子力顯微鏡照片；

圖2是石墨烯納米帶的原子力顯微鏡照片；

圖3是石墨烯納米帶的Raman譜。

具體實(shí)施方式

下面，參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說(shuō)明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施例。而是，提供這些實(shí)施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達(dá)給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。

如圖1-3所示，本發(fā)明提供了一種制備石墨烯納米帶的方法，該方法包括如下步驟：1)在碳化硅襯底上制備單原子層臺(tái)階，具體為：首先對(duì)碳化硅襯底片做拋光處理；然后對(duì)襯底片進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括化學(xué)清洗、氫刻蝕和去除氧化物，直至得到具有周期性單原子層光滑臺(tái)階的碳化硅襯底片；

2)在步驟1)所獲得的具有單原子層臺(tái)階的碳化硅襯底片上直接采用碳化硅外延法生長(zhǎng)石墨烯納米帶。

本申請(qǐng)的單原子層光滑臺(tái)階是指單個(gè)臺(tái)階高度為一個(gè)原子層厚度的臺(tái)階；臺(tái)階的寬度為20nm～10μm。

步驟1)中的化學(xué)清洗具體為：

a)將拋光處理后的SiC襯底片浸在氨水、雙氧水、去離子水混合液中煮沸5～30min，用去離子水清洗3～5次；

b)將步驟a)中處理后的SiC襯底片浸入鹽酸、雙氧水、去離子水的混合液中，煮沸5～30min，去離子水清洗3～5次；

c)將步驟b)中處理后的SiC襯底片放入3％～20％的HF溶液中1～10min，之后用去離子水沖洗。

其中，步驟a)中的所述氨水、雙氧水、去離子水混合液中氨水、雙氧水和去離子水的體積比為：1:2:5～1:1:1。步驟b)中的所述鹽酸、雙氧水、去離子水的混合液中鹽酸、雙氧水、去離子水的體積比為：1:2:8～1:1:1。

步驟1)中的氫刻蝕的偏角為1°～8°，溫度1000℃～2000℃，H₂流量20L/min～100L/min，壓力50mbar～150mbar,時(shí)間5min～120min。去除氧化物具體為：將SiC襯底片置于高溫爐中，所述高溫爐內(nèi)的溫度為700℃～1500℃，H₂流量為0.5L/min～10L/min，壓力為50mbar～100mbar，保持時(shí)間5min～2h。

步驟2)中的碳化硅外延法生長(zhǎng)石墨烯納米帶的生長(zhǎng)溫度為1000℃～2000℃，Ar流量5L/min～50L/min，壓力600mbar～900mbar，生長(zhǎng)時(shí)間為5min～5h。

實(shí)施例一：

以碳化硅襯底制備寬度為200nm的石墨烯納米帶，具體方法如下：

首先對(duì)碳化硅襯底片做拋光處理；然后進(jìn)行化學(xué)清洗：第一步，將SiC浸在氨水：雙氧水：去離子水為1:2:5的混合液中，煮沸10min，用去離子水清洗3次；第二步，將襯底片浸入鹽酸：雙氧水：去離子水＝1:2:8，煮沸5min，去離子水清洗3次；第三步，放入3％HF溶液中1min，用去離子水沖洗。

然后進(jìn)行氫刻蝕：氫刻蝕偏角為2°，溫度1500℃，H₂流量80L/min，壓力120mbar,時(shí)間5min。

然后進(jìn)行去除氧化物：將襯底片置于高溫爐中，高溫爐中溫度1100℃，H₂流量10L/min，壓力為50mbar，保持時(shí)間5min。

然后外延生長(zhǎng)石墨烯納米帶：將襯底片至于高溫爐，生長(zhǎng)溫度為1600℃，Ar流量20L/min，壓力700mbar，生長(zhǎng)時(shí)間為10min。

實(shí)施例二：

以碳化硅襯底制備寬度為80nm的石墨烯納米帶，具體方法如下：

首先對(duì)碳化硅襯底片做拋光處理；然后進(jìn)行化學(xué)清洗：第一步，將SiC浸在氨水：雙氧水：去離子水為2:3:5的混合液中，煮沸5min，用去離子水清洗3次；第二步，將襯底片浸入鹽酸：雙氧水：去離子水＝1:3:8，煮沸10min，去離子水清洗3次；第三步，放入10％HF溶液中5min，用去離子水沖洗。

然后進(jìn)行氫刻蝕：氫刻蝕偏角為4°，溫度1300℃，H₂流量50L/min，壓力100mbar,時(shí)間5min。

然后進(jìn)行去除氧化物：將襯底片置于高溫爐中，高溫爐中溫度900℃，H₂流量1L/min，壓力為80mbar，保持時(shí)間10min。

然后外延生長(zhǎng)石墨烯納米帶：將襯底片至于高溫爐，生長(zhǎng)溫度為1800℃，Ar流量50L/min，壓力800mbar，生長(zhǎng)時(shí)間為30min。

實(shí)施例三：

以碳化硅襯底制備寬度為30nm的石墨烯納米帶，具體方法如下：

首先對(duì)碳化硅襯底片做拋光處理；然后進(jìn)行化學(xué)清洗：第一步，將SiC浸在氨水：雙氧水：去離子水為2:4:5的混合液中，煮沸10min，用去離子水清洗4次；第二步，將襯底片浸入鹽酸：雙氧水：去離子水＝1:5:8，煮沸5min，去離子水清洗3次；第三步，放入15％HF溶液中10min，用去離子水沖洗。

然后進(jìn)行氫刻蝕：氫刻蝕偏角為8°，溫度1800℃，H₂流量100L/min，壓力120mbar,時(shí)間30min。

然后進(jìn)行去除氧化物：將襯底片置于高溫爐中，高溫爐中溫度1300℃，H₂流量0.5L/min，壓力為100mbar，保持時(shí)間5min。

然后外延生長(zhǎng)石墨烯納米帶：將襯底片至于高溫爐，生長(zhǎng)溫度為2000℃，Ar流量30L/min，壓力650mbar，生長(zhǎng)時(shí)間為90min。

上面所述只是為了說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)該理解為本發(fā)明并不局限于以上實(shí)施例，符合本發(fā)明思想的各種變通形式均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。