本發(fā)明涉及一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，屬于微電子材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，有望在高性能納電子器件、復(fù)合材料、場(chǎng)發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，在工業(yè)、電力行業(yè)及電子產(chǎn)業(yè)都有廣闊的應(yīng)用前景。

在石墨烯上，整流柵電極可以相隔幾納米放置，這樣溝道更短而且傳輸更快。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。石墨烯是由碳原子以sp²軌道雜化形成的呈六角形蜂巢晶格的原子級(jí)二維晶體材料，具有高于商用硅片幾十倍的高載流子遷移率，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，表現(xiàn)出優(yōu)良的電子傳輸特性。石墨烯晶體在超高頻率電子器件方面有著重要應(yīng)用價(jià)值，優(yōu)異的性能使其具有重大的理論研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。然而，石墨烯電子器件性能的提升受到石墨烯產(chǎn)品品質(zhì)的嚴(yán)重制約，這依賴于石墨烯制備技術(shù)和方法的改進(jìn)。制備出高質(zhì)量、低成本的石墨烯晶體是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)石墨烯應(yīng)用的前提條件。

高溫SiC熱解法通過(guò)高溫使SiC表面的Si原子脫離SiC基片來(lái)獲得一層或數(shù)層石墨烯，其生產(chǎn)流程可以與當(dāng)前半導(dǎo)體工藝相融合，不需要轉(zhuǎn)移等后續(xù)工藝便有望做成器件。因此在SiC襯底上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法被認(rèn)為是最有潛力和希望，突破Si技術(shù)發(fā)展瓶頸的方法，而在SiC襯底碳面上石墨烯因?yàn)槠湫阅芨鼉?yōu)越成為了研究熱點(diǎn)。

中國(guó)專利文獻(xiàn)CN102502592A(申請(qǐng)?zhí)枺?01110293631.3)公開(kāi)了在4H/6H-SiC碳面外延生長(zhǎng)晶圓級(jí)石墨烯的方法，對(duì)4H/6H-SiC碳面進(jìn)行清潔處理，以去除表面有機(jī)殘余物和離子污染物，通入氫氣，對(duì)4H/6H-SiC碳面分別進(jìn)行氫刻蝕，以去除表面劃痕，形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋，通入硅烷去除氫刻蝕在表面帶來(lái)的氧化物，在通入氬氣流2mbar壓力環(huán)境下，通過(guò)加熱，使得硅原子升華，碳原子以sp²方式在襯底表面重構(gòu)形成外延形成石墨烯。

中國(guó)專利文獻(xiàn)CN102051677A(申請(qǐng)?zhí)朇N201010541290.2)公開(kāi)了大直徑6H-SiC碳面上生長(zhǎng)石墨烯的方法，將6H-SiC晶片碳面拋光、清洗，碳面朝上平放在單晶生長(zhǎng)爐坩堝中的石墨托盤(pán)中，抽真空度至1×10^-7mbar，快速升溫至1700-1750℃，通入高純氬氣，然后緩慢升溫至1750-1950℃，保溫1-10min，完成石墨烯的生長(zhǎng)。

中國(guó)專利文獻(xiàn)CN102502892A公開(kāi)了一種在大直徑6H-SiC碳面生長(zhǎng)石墨烯的方法，對(duì)4H/6H-SiC碳面進(jìn)行清潔處理，以去除表面有機(jī)殘余物和離子污染物，通入氫氣，對(duì)4H/6H-SiC碳面分別進(jìn)行氫刻蝕，以去除表面劃痕，形成規(guī)則的臺(tái)階狀條紋，通入硅烷去除氫刻蝕在表面帶來(lái)的氧化物；在通入氬氣流2mbar壓力環(huán)境下，通過(guò)加熱，使得硅原子升華，碳原子以sp²方式在襯底表面重構(gòu)形成外延石墨烯。

James M.Tour等報(bào)道了在硅片上鍍鎳，在鎳上涂一層PMMA在夾層中生長(zhǎng)石墨烯的方法，生長(zhǎng)出質(zhì)量較好的石墨烯，ACS Nano,2011,5,8187–8192。日本Toshiaki Kato等等報(bào)道了在硅片上鍍鎳，用等離子CVD法在夾層中生長(zhǎng)石墨烯的方法，生長(zhǎng)出質(zhì)量較好的石墨烯，ACS Nano,2012,6,8508–8515。

使用SiC熱解法在6H/4H-SiC碳面上生長(zhǎng)石墨烯，雖然可以得到質(zhì)量較高，尺寸較大的石墨烯，但是，因生長(zhǎng)機(jī)理的限制，碳面上生長(zhǎng)過(guò)快，石墨烯在碳面的生長(zhǎng)速率比在硅面上的生長(zhǎng)速率快很多，因此在碳面上生長(zhǎng)石墨烯的層數(shù)很難控制。SiC熱解法得到的石墨烯的均勻性較差，難以得到層數(shù)可控的石墨烯薄膜，不利于石墨烯電子器件的應(yīng)用。另外，目前絕大部分外延工藝均在硅面上進(jìn)行，因此硅面需要精拋光即化學(xué)機(jī)械拋光，目前硅面的化學(xué)機(jī)械拋光工藝已經(jīng)相對(duì)比較成熟。但在碳面上生長(zhǎng)石墨烯前，碳面需要化學(xué)機(jī)械拋光，但是碳面的化學(xué)機(jī)械拋光比硅面難度更大。所以在經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光的6H-SiC碳面上高溫生長(zhǎng)石墨烯的研究比較難。但是，碳面生長(zhǎng)的石墨烯相對(duì)硅面生長(zhǎng)的石墨烯尺寸更大，而且可以得到更高的載流子遷移率，更有利于其在微電子領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展。

因此，有必要建立一種科學(xué)的、均勻性一致、層數(shù)可控的石墨烯的生長(zhǎng)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法。

發(fā)明概述：

本發(fā)明通過(guò)高溫加熱將SiC晶片表面的Si-C鍵部分裂解，生成極少量的以C原子為中心的成核位點(diǎn)，在到達(dá)成核點(diǎn)溫度后，以金屬薄膜為催化劑吸收多余的C原子，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)SiC晶片自身內(nèi)部碳源處于合適的濃度，生長(zhǎng)出質(zhì)量?jī)?yōu)異的石墨烯，該方法不僅可以避免CVD方法轉(zhuǎn)移過(guò)程中對(duì)石墨烯的破壞而且解決了在碳面上生長(zhǎng)石墨烯的層數(shù)很難控制的問(wèn)題，能夠得到質(zhì)量更好的石墨烯。

術(shù)語(yǔ)解釋：

6H/4H-SiC：6H/4H-SiC是6H型或4H型碳化硅的常規(guī)簡(jiǎn)寫(xiě)表達(dá)，含義是指6H-SiC或4H-SiC。

6H/4H-SiC硅面和碳面：6H/4H-SiC晶片有兩個(gè)極性面，硅面(0001)和碳面(000-1)，如圖1所示。本發(fā)明是在6H/4H-SiC碳面(000-1)制備出石墨烯材料。

電子束蒸發(fā)：將蒸發(fā)材料置于水冷坩堝中，利用電子束直接加熱使蒸發(fā)材料汽化并在襯底上凝結(jié)形成薄膜。

等離子體濺射：用直流或射頻的方法使稀有氣體電離成等離子體，再通過(guò)偏置等方法轟擊靶材，使靶上的原子有足夠的能力脫離出來(lái)，落在基板上，形成薄膜。

發(fā)明詳述：

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，包括步驟如下：

(1)將6H/4H-SiC晶片碳面進(jìn)行拋光、切割、清洗，得厚度為300～400μm的6H/4H-SiC晶片；

(2)將步驟(1)處理后的6H/4H-SiC晶片置于CVD爐腔中，碳面朝上，爐腔中真空度為1～3×10^-4Pa，快速升溫至1200～1300℃，保溫5～20min；

(3)向反應(yīng)腔內(nèi)通入高純氬氣和高純氫氣，壓力控制在100-800mbar，然后升溫至1550～1750℃，對(duì)6H/4H-SiC晶片的SiC襯底進(jìn)行氫刻蝕10～60min，降溫到室溫，得氫刻蝕后的SiC襯底；

(4)將氫刻蝕后的SiC襯底碳面沉積一層厚度為5nm～200nm的可以溶碳和析碳的金屬，得6H/4H-SiC晶片/金屬?gòu)?fù)合襯底；

(5)將步驟(4)得到的6H/4H-SiC晶片/金屬?gòu)?fù)合襯底置于CVD快速生長(zhǎng)爐中，碳面朝上；爐腔中真空度為1～3×10^-4Pa，快速升溫至1200～1300℃，保溫1～5in；通入高純氬氣，壓力控制在600～800mbar，然后升溫至1650～1850℃，保溫10～30min進(jìn)行生長(zhǎng)石墨烯；

生長(zhǎng)完成后，繼續(xù)通氬氣，快速降溫至800～900℃，然后自然降溫到室溫，在6H/4H-SiC晶片與金屬夾層中生長(zhǎng)出石墨烯，得到生長(zhǎng)出石墨烯的6H/4H-SiC晶片/金屬?gòu)?fù)合襯底；

(6)將步驟(5)生長(zhǎng)出石墨烯的6H/4H-SiC晶片/金屬?gòu)?fù)合襯底，放入FeCl₃與鹽酸或硝酸混合溶液中，攪拌除去6H/4H-SiC表面的金屬；然后依次用水、酒精進(jìn)行清洗，干燥，即得。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(1)6H/4H-SiC晶片直徑為2～4英寸，拋光、切割要求：使碳面表面粗糙度小于等于0.3nm，不平整度小于等于15μm。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)，爐腔中真空度為10^-4Pa，升溫至1250～1280℃，升溫速率為300～900℃/min。對(duì)SiC襯底及反應(yīng)腔體內(nèi)部進(jìn)行預(yù)烘烤，使SiC表面及腔體內(nèi)部吸附的氣體脫附并排出腔體，以達(dá)到降低腔體內(nèi)殘余氧含量并且進(jìn)一步提升真空度。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)，高純氬氣、高氫氣的通入流量分別為10～100sccm、10～100sccm，高純氬氣、高純H₂為5N以上的高純氬氣、高純H₂。通過(guò)H₂刻蝕以獲得SiC襯底表面規(guī)則排布的原子臺(tái)階結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)，升溫速率為300～900℃/min，氫刻蝕時(shí)間優(yōu)選20～50min。氫刻蝕完成后在氬氣和氫氣氣氛下降溫。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(4)，采用電子束蒸發(fā)或等離子體濺射的方式進(jìn)行沉積金屬，沉積厚度優(yōu)選為20～100nm。

本發(fā)明優(yōu)選的，所述的金屬為鐵、鈷或鎳；優(yōu)選為鎳。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(5)，爐腔中真空度優(yōu)選為10^-4Pa，升溫至1250～1280℃，升溫速率為300～900℃/min。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(5)，高純氬氣通入流量為10～100sccm，通入高純氬氣后壓力控制在600～700mbar，升溫至1700～1800℃，升溫速率為10～60℃/min。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(5)，生長(zhǎng)完成后，氬氣通入流量為10～100sccm，壓力控制在600～800mbar，快速降溫至850～900℃，降溫速率為600～900℃/min。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(6)，F(xiàn)eCl₃與鹽酸或硝酸的混合溶液，F(xiàn)eCl₃與鹽酸或硝酸的體積比為1:1，F(xiàn)eCl₃濃度是1mol/L。

本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(6)，所述的干燥采用氮?dú)鈽尨蹈伞?/p>

以上步驟(2)、步驟(5)使用的CVD爐為現(xiàn)有技術(shù)，具體采用冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐，可市場(chǎng)購(gòu)得。

CVD爐腔中真空度采用機(jī)械泵和分子泵進(jìn)行抽真空。

本發(fā)明方法中所有原料均為市售產(chǎn)品。沒(méi)有特別限定的部分可均參照現(xiàn)有技術(shù)。

本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)良效果在于：

本發(fā)明采用SiC作為襯底，生產(chǎn)流程與當(dāng)前半導(dǎo)體工藝相融合，制得的成品不需要后續(xù)處理(轉(zhuǎn)移等后續(xù))直接做成器件，在后續(xù)電子器件的制備上有極大的優(yōu)勢(shì)，遷移率也能得到明顯提高。

本發(fā)明采用的6H/4H-SiC單晶的碳面經(jīng)過(guò)切磨拋光，且經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(按現(xiàn)有技術(shù))，表面粗糙度小于0.3nm，無(wú)損傷層，有規(guī)則的原子臺(tái)階；并且在加熱過(guò)程中又經(jīng)過(guò)氫蝕處理，表面超光滑，有規(guī)則的生長(zhǎng)臺(tái)階。

本發(fā)明制備石墨烯的方法，該方法以SiC晶片為襯底，通過(guò)精確控制溫度，使SiC表面發(fā)生裂解反應(yīng)，形成以C原子為中心的成核點(diǎn)，在到達(dá)成核點(diǎn)溫度后，以金屬薄膜為催化劑吸收多余的C原子，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)SiC晶片自身內(nèi)部碳源處于合適的濃度，制備得到高質(zhì)量的石墨烯二維晶體。

本發(fā)明與傳統(tǒng)的CVD方法相比，本發(fā)明制備的石墨烯不需要?jiǎng)冸x，簡(jiǎn)化了工藝，同時(shí)大大降低了石墨烯在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的破壞和污染；與傳統(tǒng)高溫SiC熱解法(外延法)相比，降低了石墨烯的生長(zhǎng)速度，使得制備的石墨烯均勻性更好，層數(shù)更可控，增加了石墨烯的遷移率，有利于石墨烯電子器件的應(yīng)用。

本發(fā)明通過(guò)精確控制溫度和升降溫速率，解決了石墨烯在SiC碳面上生長(zhǎng)不統(tǒng)一、層數(shù)不容易控制和性能受緩沖層影響的難題。本發(fā)明生長(zhǎng)出的石墨烯布滿整個(gè)晶片表面，石墨烯層數(shù)可控制在1-3層。

附圖說(shuō)明

圖1是4H-SiC、6H-SiC硅面和碳面原子結(jié)構(gòu)示意圖。其中a為4H-SiC硅面和碳面原子結(jié)構(gòu)示意圖，b為6H-SiC硅面和碳面原子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是6H/4H-SiC碳面上用金屬輔助外延生長(zhǎng)石墨烯的原理圖。

圖3是實(shí)施例1-5中生長(zhǎng)石墨烯的拉曼譜圖。橫坐標(biāo)是拉曼位移(cm^-1)，縱坐標(biāo)是強(qiáng)度(a.u.)。

圖4是SiC碳面氫刻蝕前的原子力顯微鏡(AFM)譜圖。

圖5是SiC碳面氫刻蝕后的原子力顯微鏡(AFM)譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。

實(shí)施例中所用的冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐加熱速率可到1200℃/min，降溫速率最快可到1000℃/min。

采用的6H/4H-SiC晶片，導(dǎo)電類型為半絕緣，電阻率大于1×10⁵Ω·cm，表面偏向是正向，偏向誤差在0.2度之內(nèi)，直徑為2-4英寸，厚度300～400μm，由山東大學(xué)晶體材料研究所提供。

實(shí)施例中6H/4H-SiC碳面拋光采用化學(xué)機(jī)械拋光。

實(shí)施例1：

一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，步驟如下：

(1)將直徑為2-4英寸的6H/4H-SiC晶片碳面進(jìn)行拋光、切割、清洗，使碳面表面粗糙度小于0.3nm，不平整度小于15μm，得厚度為300μm～400μm的6H/4H-SiC晶片；

(2)將步驟(1)加工好的6H/4H-SiC晶片平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫20min；

(3)向反應(yīng)腔內(nèi)通入流量為20sccm的高純氬氣和流量為20sccm的高純氫氣，壓力控制在600mbar，從1200℃快速升溫到1650℃，升溫速率為300℃/min，對(duì)高溫的SiC襯底進(jìn)行氫刻蝕，持續(xù)時(shí)間為30min，完成氫刻蝕；然后在氬氣和氫氣氣氛下隨爐降溫到室溫；

(4)將步驟(3)氫刻蝕后的SiC襯底用電子束蒸發(fā)沉積5nm的金屬鎳；

(5)將步驟(4)鍍好的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫5min；通入流量為20sccm的高純氬氣，壓力控制在800mbar，然后升溫至1750℃，升溫速率為300℃/min，保溫20min進(jìn)行生長(zhǎng)石墨烯；

生長(zhǎng)完成后，繼續(xù)通流量為100sccm的氬氣，壓力控制在600mbar，快速降溫至800-900℃，降溫速率為600℃/min；然后自然降溫到室溫，在6H/4H-SiC晶片跟鎳夾層中生長(zhǎng)出石墨烯；

(6)將步驟(5)生長(zhǎng)好石墨烯的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底，放入FeCl₃、鹽酸混合溶液中，用磁力攪拌器攪拌，除去6H/4H-SiC表面的金屬鎳；然后分別用水、酒精進(jìn)行清洗，最后用氮?dú)鈽尨蹈?。得到層?shù)是5層石墨烯。

實(shí)施例2：

一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，包括如下步驟：

(1)將直徑為2-4英寸的6H/4H-SiC晶片碳面進(jìn)行拋光、切割、清洗，使碳面表面粗糙度小于0.3nm，不平整度小于15μm，得厚度為300μm-400μm的6H/4H-SiC晶片；

(2)將步驟(1)加工好的6H/4H-SiC晶片平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫20min；

(3)向反應(yīng)腔內(nèi)通入流量為20sccm的高純氬氣和流量為20sccm的高純氫氣，壓力控制在600mbar，從1200℃快速升溫到1650℃，升溫速率為300℃/min，對(duì)高溫的SiC襯底進(jìn)行氫刻蝕，持續(xù)時(shí)間為30min，完成氫刻蝕；然后在氬氣和氫氣氣氛下隨爐降溫到室溫；

(4)將步驟(3)氫刻蝕后的SiC襯底采用等離子體濺射沉積10nm的金屬鎳；

(5)將步驟(4)鍍好的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫5min；通入流量為20sccm的高純氬氣，壓力控制在800mbar，然后升溫至1750℃，升溫速率為300℃/min，保溫20min進(jìn)行生長(zhǎng)石墨烯；

生長(zhǎng)完成后，繼續(xù)通流量為100sccm的氬氣，壓力控制在600mbar，快速降溫至800-900℃，降溫速率為600℃/min；然后自然降溫到室溫，在6H/4H-SiC晶片跟鎳夾層中生長(zhǎng)出石墨烯；

(6)將步驟(5)生長(zhǎng)好石墨烯的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底，放入FeCl₃、鹽酸混合溶液中，用磁力攪拌器攪拌，除去6H/4H-SiC表面的金屬鎳；然后分別用水、酒精進(jìn)行清洗，最后用氮?dú)鈽尨蹈?。得到層?shù)是2-4層石墨烯。

實(shí)施例3：

一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，包括如下步驟：

(1)將直徑為2-4英寸的6H/4H-SiC晶片碳面進(jìn)行拋光、切割、清洗，使碳面表面粗糙度小于0.3nm，不平整度小于15μm，得厚度為300μm-400μm的6H/4H-SiC晶片；

(2)將步驟(1)加工好的6H/4H-SiC晶片平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫20min；

(3)向反應(yīng)腔內(nèi)通入流量為20sccm的高純氬氣和流量為20sccm的高純氫氣，壓力控制在600mbar，從1200℃快速升溫到1650℃，升溫速率為300℃/min，對(duì)高溫的SiC襯底進(jìn)行氫刻蝕，持續(xù)時(shí)間為30min，完成氫刻蝕；然后在氬氣和氫氣氣氛下隨爐降溫到室溫；

(4)將步驟(3)氫刻蝕后的SiC襯底用電子束蒸發(fā)沉積20nm的金屬鎳；

(5)將步驟(4)鍍好的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫5min；通入流量為20sccm的高純氬氣，壓力控制在800mbar，然后升溫至1750℃，升溫速率為300℃/min，保溫20min進(jìn)行生長(zhǎng)石墨烯；

生長(zhǎng)完成后，繼續(xù)通氬氣，流量為100sccm，壓力控制在600mbar，快速降溫至800-900℃，降溫速率為600℃/min；然后自然降溫到室溫，在6H/4H-SiC晶片跟鎳夾層中生長(zhǎng)出石墨烯；

(6)將步驟(5)生長(zhǎng)好石墨烯的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底，放入FeCl₃、鹽酸混合溶液中，用磁力攪拌器攪拌，除去6H/4H-SiC表面的金屬鎳；然后分別用水、酒精進(jìn)行清洗，最后用氮?dú)鈽尨蹈?。得到層?shù)是1-2層石墨烯。

實(shí)施例4：

一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，包括如下步驟：

(1)將直徑為2-4英寸的6H/4H-SiC晶片碳面進(jìn)行拋光、切割、清洗，使碳面表面粗糙度小于0.3nm，不平整度小于15μm，得厚度為300μm-400μm的6H/4H-SiC晶片；

(2)將步驟(1)加工好的6H/4H-SiC晶片平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫20min；

(3)向反應(yīng)腔內(nèi)通入流量為20sccm的高純氬氣和流量為20sccm的高純氫氣，壓力控制在600mbar，從1200℃快速升溫到1650℃，升溫速率為300℃/min，對(duì)高溫的SiC襯底進(jìn)行氫刻蝕，持續(xù)時(shí)間為30min，完成氫刻蝕；然后在氬氣和氫氣氣氛下隨爐降溫到室溫；

(4)將步驟(3)氫刻蝕后的SiC襯底用電子束蒸發(fā)沉積50nm的金屬鎳；

(5)將步驟(4)鍍好的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫5min；通入流量為20sccm高純氬氣，壓力控制在800mbar，然后升溫至1750℃，升溫速率為300℃/min，保溫20min進(jìn)行生長(zhǎng)石墨烯；

生長(zhǎng)完成后，繼續(xù)通流量為100sccm的氬氣，壓力控制在600mbar，快速降溫至800-900℃，降溫速率為600℃/min；然后自然降溫到室溫，在6H/4H-SiC晶片跟鎳夾層中生長(zhǎng)出石墨烯；

(6)將步驟(5)生長(zhǎng)好石墨烯的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底，放入FeCl₃、鹽酸混合溶液中，用磁力攪拌器攪拌，除去6H/4H-SiC表面的金屬鎳；然后分別用水、酒精進(jìn)行清洗，最后用氮?dú)鈽尨蹈?。得到層?shù)是1-3層石墨烯。

實(shí)施例5：

一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，包括如下步驟：

(1)將直徑為2-4英寸的6H/4H-SiC晶片碳面進(jìn)行拋光、切割、清洗，使碳面表面粗糙度小于0.3nm，不平整度小于15μm，得厚度為300μm-400μm的6H/4H-SiC晶片；

(2)將步驟(1)加工好的6H/4H-SiC晶片平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫20min；

(3)向反應(yīng)腔內(nèi)通入流量為20sccm的高純氬氣和流量為20sccm的高純氫氣，壓力控制在600mbar，從1200℃快速升溫到1650℃，升溫速率為300℃/min，對(duì)高溫的SiC襯底進(jìn)行氫刻蝕，持續(xù)時(shí)間為30min，完成氫刻蝕；然后在氬氣和氫氣氣氛下隨爐降溫到室溫；

(4)將步驟(3)氫刻蝕后的SiC襯底用電子束蒸發(fā)沉積100nm的金屬鈷；

(5)將步驟(4)鍍好的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底平放在冷壁式CVD快速生長(zhǎng)爐樣品臺(tái)上，碳面朝上；CVD快速生長(zhǎng)爐用機(jī)械泵和分子泵抽真空度至10^-4Pa，快速升溫至1200℃，升溫速率為600℃/min，保溫5min；通入流量為20sccm的高純氬氣，壓力控制在800mbar，然后升溫至1750℃，升溫速率為300℃/min，保溫20min進(jìn)行生長(zhǎng)石墨烯；

生長(zhǎng)完成后，繼續(xù)通氬氣，流量為100sccm，壓力控制在600mbar，快速降溫至800-900℃，降溫速率為600℃/min；然后自然降溫到室溫，在6H/4H-SiC晶片跟鎳夾層中生長(zhǎng)出石墨烯；

(6)將步驟(5)生長(zhǎng)好石墨烯的6H/4H-SiC晶片/鎳復(fù)合襯底，放入FeCl₃、鹽酸混合溶液中，用磁力攪拌器攪拌，除去6H/4H-SiC表面的金屬鎳；然后分別用水、酒精進(jìn)行清洗，最后用氮?dú)鈽尨蹈?。得到層?shù)是1-3層石墨烯。

實(shí)施例6：

一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，同實(shí)施例1，不同之處在于，

步驟(4)，將步驟(3)氫刻蝕后的SiC襯底用電子束蒸發(fā)沉積5nm的金屬鐵，其他方法步驟同實(shí)施例1。

實(shí)施例7：

一種利用金屬輔助在6H/4H-SiC碳面上外延生長(zhǎng)石墨烯的方法，同實(shí)施例1，不同之處在于，

步驟(4)，將步驟(3)氫刻蝕后的SiC襯底用電子束蒸發(fā)沉積5nm的金屬鈷，其他方法步驟同實(shí)施例1。

實(shí)驗(yàn)例：

對(duì)上述實(shí)施例1-5的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)施例1-5得到的石墨烯晶體拉曼譜圖如圖3所示。

由圖3的拉曼可知，五個(gè)實(shí)施例生長(zhǎng)的石墨烯的2D峰和G峰都很明顯，通過(guò)綜合分析拉曼譜圖中D峰和G峰的比值(I_G/I_2D＝0.4～2)以及2D峰半峰寬FWHM的數(shù)值，得到生長(zhǎng)石墨烯的層數(shù)在1～3層。半峰寬與層數(shù)對(duì)應(yīng)公式：FWHM＝(-45×(1/n))+88(n為石墨烯層數(shù))。

由圖5的AFM圖譜可知，石墨烯臺(tái)階比較均勻，臺(tái)階寬度基本在800-1500nm之間，臺(tái)階高度較小(0.3～3nm)，石墨烯晶疇較大，說(shuō)明基于該設(shè)備和金屬輔助外延生長(zhǎng)石墨烯的方法在6H/4H-SiC碳面襯底上生長(zhǎng)出了質(zhì)量較好的石墨烯。

對(duì)比試驗(yàn)：

采用本發(fā)明的方法，用電子束蒸發(fā)鍍不同厚度的鎳膜來(lái)進(jìn)行石墨烯晶體的制備，得到了相似的結(jié)果(表1中3、4、5、6、7的結(jié)果是相似的)。表1給出了不同條件下制備石墨烯晶體的結(jié)果，對(duì)比可知，在同樣條件下單純采用SiC高溫裂解法難以制備出層數(shù)很多的石墨烯，而采用金屬鎳輔助外延生長(zhǎng)的方法可以在SiC上制備出質(zhì)量高、層數(shù)薄的石墨烯，說(shuō)明金屬鎳輔助優(yōu)化石墨烯晶體的生長(zhǎng)，使得石墨烯的生長(zhǎng)速度更加可控，因此采用傳統(tǒng)SiC碳面熱解方法制備石墨烯存在難以控制的問(wèn)題得到明顯改善，對(duì)應(yīng)的石墨烯器件的性能也得到明顯提高。

表1、不同條件下生長(zhǎng)石墨烯晶體的結(jié)果對(duì)比。

綜上所述，使用本發(fā)明的金屬輔助外延生長(zhǎng)法，可以在4H/6H-SiC晶片碳面上制備出大尺寸高質(zhì)量的石墨烯，該方法相比單純的SiC高溫?zé)峤夥ê虲VD法制備石墨烯晶體，優(yōu)勢(shì)顯著。