一種制備石墨烯納米帶的方法與流程
本發明涉及低維材料和新材料領域，具體涉及一種制備石墨烯納米帶的方法。
背景技術：
石墨烯獨特的性質包括：最薄、最牢固、高熱導率、高硬度、高電子遷移率、零有效質量、高導熱率等，在下一代光電器件、透明導電膜、傳感器等領域有巨大的應用潛力。尤其是其電子遷移率在常溫下超過15000cm2/Vs，被期待替代硅用來發展出更薄、導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構，傳承了石墨烯的許多優異性能，同時破壞了石墨烯的平移對稱性，由于量子限域效應，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用的重要突破，具有更大的潛在實用價值。
GNRs的制備方法主要可以分為:物理法、化學法、以碳納米管為原料制備GNRs等；其中，(1)物理法主要有微機械剝離法、刻蝕法等，這種方法制備的GNRs寬度小，同時難以實現大規模、高質量、邊緣構型和尺寸可控的制備，且這種方法使用的設備較復雜、昂貴；(2)化學法主要有化學氣相沉積法、有機合成法等，這種可以實現大批量制備的方法，但是需要進行襯底腐蝕、樣品轉移而引入的缺陷、污染，破壞結構完整性。(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。真正能實現尺寸精度高、寬度窄、產量高、缺陷少、各項性質優異的制備方法是很難的。碳化硅襯底本身具有的原子臺階和平整解理面的特點，直接采用碳化硅外延法生長石墨烯，可在碳化硅在臺階上生長成為石墨烯納米帶，這種方法設備要求低，制得的GNRs缺陷少、尺寸可控、無需剝離。
韓國Qingsong Huang(Width-Tunable Graphene Nanoribbons on a SiC Substrate with a Controlled Step Height)報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階(1～100nm)，然后利用外延生長的方法，在臺階的側面上生長出石墨烯納米帶。側面生長的石墨烯納米帶不利于后期器件工藝，本發明在臺階上可控生長的石墨烯納米帶，解決了這一問題。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種制備石墨烯納米帶的方法，其在臺階上可控生長的石墨烯納米帶，解決了側面生長的石墨烯納米帶不利于后期器件工藝的問題
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
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階，具體為：首先對碳化硅襯底片做拋光處理；然后對襯底片進行預處理，所述預處理包括化學清洗、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階的碳化硅襯底片；
2)在步驟1)所獲得的具有單原子層臺階的碳化硅襯底片上直接采用碳化硅外延法生長石墨烯納米帶。
進一步，所述單原子層光滑臺階是指單個臺階高度為一個原子層厚度的臺階。
進一步，所述臺階的寬度為20nm～10μm。
進一步，步驟1)中的所述化學清洗具體為：
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,時間5min～120min。
進一步，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，所述高溫爐內的溫度為700℃～1500℃，H2流量為0.5L/min～10L/min，壓力為50mbar～100mbar，保持時間5min～2h。
進一步，步驟2)中的碳化硅外延法生長石墨烯納米帶的生長溫度為1000℃～2000℃，Ar流量5L/min～50L/min，壓力600mbar～900mbar，生長時間為5min～5h。
本發明具有以下有益技術效果：
本發明利用了碳化硅本身具有的原子臺階和平整解理面的特點，直接采用碳化硅外延法生長石墨烯，通過調節溫度、壓強等條件使石墨烯在臺階上生長成為尺寸可調的石墨烯納米帶；成功解決了側面生長的石墨烯納米帶不利于后期器件工藝的問題。
附圖說明
圖1是具有單原子層臺階的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。
具體實施方式
下面，參考附圖，對本發明進行更全面的說明，附圖中示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以體現為多種不同形式，并不應理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發明全面和完整，并將本發明的范圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。
如圖1-3所示，本發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階，具體為：首先對碳化硅襯底片做拋光處理；然后對襯底片進行預處理，預處理包括化學清洗、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階的碳化硅襯底片；
2)在步驟1)所獲得的具有單原子層臺階的碳化硅襯底片上直接采用碳化硅外延法生長石墨烯納米帶。
本申請的單原子層光滑臺階是指單個臺階高度為一個原子層厚度的臺階；臺階的寬度為20nm～10μm。
步驟1)中的化學清洗具體為：
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，所述高溫爐內的溫度為700℃～1500℃，H2流量為0.5L/min～10L/min，壓力為50mbar～100mbar，保持時間5min～2h。
步驟2)中的碳化硅外延法生長石墨烯納米帶的生長溫度為1000℃～2000℃，Ar流量5L/min～50L/min，壓力600mbar～900mbar，生長時間為5min～5h。
實施例一：
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：
首先對碳化硅襯底片做拋光處理；然后進行化學清洗：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。
然后進行氫刻蝕：氫刻蝕偏角為2°，溫度1500℃，H2流量80L/min，壓力120mbar,時間5min。
然后進行去除氧化物：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，保持時間5min。
然后外延生長石墨烯納米帶：將襯底片至于高溫爐，生長溫度為1600℃，Ar流量20L/min，壓力700mbar，生長時間為10min。
實施例二：
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：
首先對碳化硅襯底片做拋光處理；然后進行化學清洗：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。
然后進行氫刻蝕：氫刻蝕偏角為4°，溫度1300℃，H2流量50L/min，壓力100mbar,時間5min。
然后進行去除氧化物：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，保持時間10min。
然后外延生長石墨烯納米帶：將襯底片至于高溫爐，生長溫度為1800℃，Ar流量50L/min，壓力800mbar，生長時間為30min。
實施例三：
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：
首先對碳化硅襯底片做拋光處理；然后進行化學清洗：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。
然后進行氫刻蝕：氫刻蝕偏角為8°，溫度1800℃，H2流量100L/min，壓力120mbar,時間30min。
然后進行去除氧化物：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，保持時間5min。
然后外延生長石墨烯納米帶：將襯底片至于高溫爐，生長溫度為2000℃，Ar流量30L/min，壓力650mbar，生長時間為90min。
上面所述只是為了說明本發明，應該理解為本發明并不局限于以上實施例，符合本發明思想的各種變通形式均在本發明的保護范圍之內。
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