面向集成電路的大尺寸單晶石墨烯的可控制備方法

王志陽

（遼寧城市建設職業技術學院，遼寧 沈陽 110000）

面向集成電路的大尺寸單晶石墨烯的可控制備方法

王志陽

（遼寧城市建設職業技術學院，遼寧 沈陽 110000）

近些年來，由于人們生活水平在不斷提高，電子產品已經被人們廣泛應用到實際生活中。在集成電路中，大尺寸單晶石墨烯的制備具有至關重要的作用。因此，本文主要研究集成電路中大尺寸單晶石墨烯的可控制備方法。

集成電路；大尺寸單晶石墨烯；制備方法

由于大尺寸單晶石墨烯具有穩定性與安全性較高等特點，人們將其安裝在集成電路中，能夠保證電力資源得到更好的利用，提高電路的運行效率。但是，在制備大尺寸單晶石墨烯時，存在很大難度，在一定程度上影響了電力企業的發展。基于此，本文主要分析集成電路的大尺寸單晶石墨烯的可控制備方法，從而保證單晶石墨烯能夠得到更好的利用，促進電力企業快速發展。

1 石墨烯的概念

石墨烯屬于二維晶體，由于其內部的電子與質子運動速度較快，具有很高的穩定性，在普通導體中，其內部的質子與電子運動速率遠遠低于石墨烯內部的質子運動速率。石墨烯中的電子也常常被人們稱為“荷子”，石墨主要由大量的石墨分子組成，由于分子之間的吸引力較小，經常分離成單層石墨，這些僅具有一個分子的石墨層就是石墨烯。根據大量的研究數據表明，由于石墨烯的穩定性較強，細菌很難在其表面生長，因此，利用石墨烯的這種特性，可以用來制作環保包裝，減少細菌對系統的影響。

2 大尺寸單晶石墨烯的制備原理與相關實驗

大尺寸單晶石墨烯的制備方法主要包括機械制備法、SIC外部延長生產法、化學控制沉積法等。采用機械制備法，雖然能夠提高石墨烯的反應速率，但是其生產成本過高，會降低企業的經濟效益。當工作人員采用SIC外部延長生產法制備大尺寸石墨烯時，石墨烯的生產成本較高，不利于企業的穩定發展，因此，為了不斷提高企業的經濟效益，企業中的工作人員在實際工作中，要嚴格控制石墨烯的反應溫度，從而降低大尺寸單晶石墨烯的生產成本。采用CVD法制備大尺寸單晶石墨烯，能夠幫助工作人員更好的控制石墨烯反應時間，保證其生產質量。同時，CVD法制備的石墨烯穩定性較高，生產成本較低，已經被人們廣泛應用到大尺寸單晶石墨烯的生產當中。

利用CVD法制備大尺寸單晶石墨烯，在高溫狀態下，利用甲烷作為生產原料，氫氣作為保護氣體。石墨烯的生產裝置主要包括石墨反應室與氣體加熱設備、氣體統計系統、真空反應系統與冷卻反應設備等。在實驗過程中，工作人員需要對生產設備進行預熱，預熱溫度一般控制在1077攝氏度左右，預熱一段時間之后，可以將甲烷氣體投放到反應室中，反應時間大約在40分鐘左右，在這個時間段內，需要保證反應溫度，讓甲烷的反應速率加快。同時，在反應的過程中，可以在反應室中加入適量的氫氣，減少安全事故的發生。

3 面向集成電路的大尺寸單晶石墨烯制備方法分析

3.1 四邊形石墨烯制備方法與分析

四邊形石墨烯的生產溫度較高，一般維持在1000攝氏度左右，當反應溫度高，不但會保證石墨烯的生產質量，還能夠讓甲烷等原料得到更好的利用。如果反應溫度過低，石墨烯表面的吸附能力會明顯下降，影響四邊形石墨烯的生產質量。因此，四邊形石墨烯生產人員在實際工作中，需要嚴格控制反應溫度，提高石墨烯的反應速度，保證四邊形石墨烯的生產質量。

四邊形單晶石墨烯主要分為兩種類型，一種是有棱角的四邊形，另一種是沒有穩定狀態的四邊形石墨烯，由于生長溫度，產生的石墨烯形態也不同。同時，由于四邊形石墨烯沒有固定形狀，常常出現較長的生長結構，具體形態見圖1。在四邊形石墨烯中，晶體之間存在一定的界限，每個四邊形石墨烯中的晶體導向存在很多差異，當晶體之間的距離較大時，石墨烯會出現生長緩慢現象。可以在石墨烯中添加催化劑，提高石墨烯的反應速率。另外，如果石墨烯的反應溫度不穩定，不但會影響其生長速率，還會降低反應速度。

圖1 長形石墨烯形狀

3.2 六邊形石墨烯的制備方法與分析

四邊形石墨烯在生長的過程中，如果反應溫度過高，很容易形成六邊形石墨烯，根據實驗數據顯示，當反應溫度由1000攝氏度升到1077攝氏度時，反應室表面的銅箔會出現液態。在石墨烯生長的過程中，石墨表面的碳與晶體結構會快速分離，并由四邊形石墨烯變成六邊形石墨烯。1077攝氏度下的單晶石墨烯見圖2。六邊形石墨烯與四邊形石墨烯有很多相同點，由于銅箔表面出現液態，石墨中的晶體會逐漸變形，并且反應速度很快。同時，在反應的過程中，由于加入大量的保護氣，對石墨烯的變形也產生一定的影響，不但能夠加快反應速度，還會保證六邊形石墨烯的生產質量。

圖2 1077攝氏度下的六邊形石墨烯形態

石墨烯在反應的過程中，會產生大量的石墨原子，這些原子會影響反應速率，因此，為了保證六邊形石墨烯的生產質量與反應速率，為了保證石墨烯生長成正六邊形，可以在反應室內添加適量穩定劑，并嚴格控制反應溫度，保證石墨烯生長成標準的六邊形石墨烯。石墨烯在生長的過程中，反應室中的銅箔也會發生反應，隨著反應的進行，銅箔厚度逐漸下降。因此，為了保證反應速度，需要定期更換反應室中的銅箔。

3.3 大尺寸單晶石墨烯的重疊

當大尺寸單晶石墨烯出現重疊時，說明反應室的溫度過高，或者是石墨烯中的晶體含量過高，影響反應的正常進行。在石墨烯生長的過程中，一旦兩個石墨烯晶體出現重疊，會產生阻止反應的晶體。同時，隨著溫度的不斷升高，會影響晶體對石墨烯的正常生長，影響大尺寸單晶石墨烯的穩定生長。由于重疊的石墨烯主要生長在銅箔上，因此，需要定期對銅箔進行清理，提高銅箔的限制性，從而減少大尺寸單晶石墨烯重疊現象的產生。

除此之外，通過不斷向反應室內添加甲烷與保護氣體，保證大尺寸單晶石墨烯能夠正常生長。在單晶石墨烯生長的過程中，還要嚴格控制生長溫度，如果溫度過高，大尺寸單晶石墨烯生長速度較快，使得反應室中的石墨烯出現重疊。如果生長溫度過低，會影響碳原子的生長，降低其生長效率。同時，要保證大尺寸單晶石墨烯的生長空間，盡可能提供一些大的生長空間，保證其生長質量，工作人員還要嚴格控制甲烷與氫氣的比例，并嚴格控制反應室中的氣流比，從根本上保證大尺寸單晶石墨烯的生長質量。

4 結語

綜上所述，在不同的溫度下，大尺寸單晶石墨烯的形態與穩定性有所不同，工作人員需要根據石墨烯的實際情況，合理控制反應溫度，保證石墨烯的生產質量。但是，相關工作人員在實際工作中，仍然會遇到很多問題，因此，為了提高大尺寸單晶石墨烯的生產質量，工作人員需要不斷學習國內外先進的石墨烯制備知識，提高自身的專業技能。

[1]高鴻鈞，黃立，申承民. 與硅技術融合的石墨烯類材料及其器件的研究立項報告[J]. 科技創新導報，2016，（11）:167-168.

[2]陶瑩，楊全紅. 石墨烯的組裝和織構調控:碳功能材料的液相制備方法[J]. 科學通報，2015，（33）:3293-3305.

[3]劉平，龍明生，李銘. 銅鎳合金催化制備大面積均勻的少層石墨烯[J]. 材料科學與工程學報，2016，（05）:629-633+664.

[4]李昕，張娟，李全福，楚朋志，王小力，劉衛華. 面向集成電路的大尺寸單晶石墨烯的可控制備方法[J]. 西安交通大學學報，2015，（06）:103-109.

[5]姜鴻基，毛炳雪. 一鍋溶劑熱法制備具有不同形貌特征的CdSe量子點負載石墨烯[J]. 無機化學學報，2016，（11）:2305-2314.

TN304.9

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0138-02