一种提高钒氧化物低温催化生长石墨烯质量的方法
本发明是一种提高具有相变性质的钒氧化物低温催化生长石墨烯质量的技术，具体涉及到采用溅射-氧化的方法制备钒氧化物薄膜以及低温原位图形化生长石墨烯工艺，属于材料制备技术和半导体光电集成领域。
背景技术：
1、石墨烯的合成方法众多，其中化学气相沉积是最有前途的石墨烯生长方法之一，它可以生产出大面积且相对高质量的石墨烯薄膜。在大多数直接生长方法中，使用金属催化剂作为提高石墨烯质量的主要方法，很容易导致主流半导体衬底的污染，这将影响器件的可靠性和性能。因此，开发非金属催化剂低温免转移生长石墨烯的工艺，对提升石墨烯器件制备技术，促进石墨烯器件的广泛应用具有重要意义。利用钒氧化物的金属-绝缘体相变特性(mit)可以在低温条件下催化生长石墨烯，生长石墨烯完成之后，氧化钒可以作为牺牲层通过腐蚀工艺去除，也可作为绝缘层保留。在室温下，氧化钒不会像金属催化剂一样引起石墨烯器件短路，有效解决了后续转移和光刻步骤对石墨烯造成的损伤，对促进直接生长石墨烯的广泛应用具有重要意义。
2、目前，已用于催化生长石墨烯的钒氧化物为溅射的v2o5薄膜，以v2o5为靶材，通过磁控溅射设备，在si/sio2衬底上沉积一层薄膜，这种方法操作简单，薄膜致密，但溅射得到的薄膜为非晶态或者多晶态，无明显择优取向。催化层良好的表面形貌与晶格结构直接影响着石墨烯的生长，所以制备高质量的催化层对生长石墨烯至关重要。
3、立式冷壁pecvd炉可以实现低温(400℃以下)生长石墨烯，且相比管式炉，其生长时间可以大大缩短。在生长过程中ar作用是提供等离子体以及稀释腔室内气体浓度，ch4用于提供碳源，h2的作用主要体现在两个方面，一方面促进碳源裂解，另一方面提高石墨烯的均匀性和质量。
技术实现思路
1、本发明的目的在于优化钒氧化物薄膜衬底质量和生长过程中气体流量，进而提高石墨烯质量。提出利用v氧化成的v2o5薄膜作为石墨烯催化层，以及在生长完石墨烯后，通入十倍流量的h2，利用h离子对石墨烯生长缺陷和杂质的刻蚀，实现对石墨烯质量的进一步提升，最终可获取均匀的大面积石墨烯薄膜。利用上述改进技术低温原位图形化生长石墨烯，具体包括以下步骤：
2、(1)清洗si/sio2衬底片，去除表面吸附的灰尘和油脂；
3、(2)用掩膜版对基片进行光刻和显影，露出预期图案；
4、(3)用磁控溅射设备沉积金属v，沉积金属v的厚度根据需要和溅射设备的性能调节，保证薄膜致密即可，通常溅射3-10nm优选5nm厚；
5、(4)剥离，得到图形化的溅射金属薄层；
6、(5)置入快速退火炉，通入o2，以300℃min-1升温至400℃，保持10-20min优选15min(具体氧化时长与v溅射厚度相关，对于5nm厚的v对应保持的时间为15min)，然后再以300℃min-1的速率降温至100℃以下，将其取出，此时表面为v2o5薄膜；
7、(6)再将其放置于立式冷壁pecvd中，生长石墨烯；以200℃min-1的升温速率加热到300℃，压强10mbar，通入气体ar：h2和ch4，其中ar：h2：ch4的流量比＝960：20：5，h2流量为20sccm；同时点燃等离子体(80w，15khz)，生长5min，然后关闭ch4，将h2流量升高到200sccm，在此大h2流量下保持12min，再关闭等离子体，然后以300℃min-1的降温速率冷却至100℃，关闭h2，关闭ar；
8、(7)生长结束后，待机器冷却至100℃以下打开腔室，取出样片，得到具有图形化的石墨烯。
9、本发明的优点
10、本发明的重点是利用v氧化制备的v2o5作为催化层，而不是采用直接溅射的v2o5，以及在石墨烯生长后增加了大h2流量退火的步骤，这样做的优点是：
11、1)v氧化制备v2o5，成膜均匀连续，表面粗糙度较小，且晶面在(001)方向具有明显的择优取向，提升了v2o5薄膜的单晶化程度，良好的表面形貌与晶格结构对高质量石墨烯的生长至关重要；
12、2)生长结束后，在大h2流量下退火，h离子通过与石墨烯中的悬挂键或缺陷反应，修复或消除这些缺陷，进一步优化了石墨烯质量，得到了均匀且大面积的石墨烯薄膜；
13、3)利用两种改进手段实现了更低温(300℃)制备石墨烯，比之前400℃生长工艺降低了100℃；
14、4)基于本发明，为优化钒氧化物以及相变材料催化生长石墨烯提供了新方法，给其他非金属材料作为催化剂提供了更多可能。
技术特征：
1.一种提高钒氧化物低温催化生长石墨烯质量的方法，其特征在于，利用v氧化成的v2o5薄膜作为石墨烯催化层，以及在生长完石墨烯后，通入大流量h2，利用h离子对石墨烯生长缺陷和杂质的刻蚀，实现对石墨烯质量的进一步提升，最终可得到均匀的大面积石墨烯薄膜；
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，v2o5薄膜催化层不再使用以v2o5为靶材溅射的方法制备，而使用以v为靶材，溅射-氧化两步法制备v2o5薄膜，这种方法制备的薄膜成膜均匀连续，表面粗糙度较小，且晶面在(001)方向具有明显的择优取向，提升了v2o5薄膜的单晶化程度，良好的表面形貌与晶格结构对高质量石墨烯的生长至关重要。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，生长石墨烯后通入大流量h2可以有效刻蚀石墨烯表面杂质和缺陷，进一步优化了石墨烯质量，得到均匀且大面积的石墨烯薄膜。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在更低温度下300℃生长石墨烯。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，d峰与g峰的峰强比值id/ig为0.71。
技术总结
一种提高钒氧化物低温催化生长石墨烯质量的方法，属于材料制备技术和半导体光电集成领域。催化层良好的表面形貌与晶格结构对高质量石墨烯的生长至关重要，利用V靶通过溅射‑氧化制备的V2O5薄膜成膜均匀连续，表面粗糙度较小，较直接溅射的V2O5薄膜在(001)晶面方向具有明显的择优取向，提升了V2O5薄膜的单晶化程度。将氧化法制备的V2O5薄膜样片放入PECVD中生长石墨烯，在结束生长后通入大流量的H2，H离子对石墨烯生长缺陷和杂质的刻蚀，实现对石墨烯质量的进一步提升。通过这两种途径，有效提高了石墨烯的质量，且生长温度可以降低至300℃。
技术研发人员：赵宇辰,邓军,于雪彦
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5