專利名稱：一種用碳團(tuán)簇離子束制備超薄碳膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用碳團(tuán)簇離子束制備超薄碳膜的方法，屬于納米材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯，作為一種典型的超薄碳膜，是碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體。由于具有良好的物理奇異性和電學(xué)性質(zhì)，在半導(dǎo)體功能器件的應(yīng)用方面前景很廣。石墨烯具有遠(yuǎn)高于單晶硅的載流子濃度和遷移率，受溫度和摻雜的影響很小，載流子的傳輸可不受晶格缺陷和雜質(zhì)原子散射的影響，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性。目前制備石墨烯的有效方法有(一)機(jī)械解理石墨能夠制備一個(gè)及幾個(gè)原子層厚度的石墨烯，大面積成膜難以實(shí)現(xiàn)；(二)化學(xué)氣相沉積(CVD)結(jié)合溶解-析出法制備單層的石墨烯有較大的優(yōu)勢，但用 CVD方法溶解的碳淬冷后僅有很小一部分析出形成石墨烯，厚度不易控制。(三)離子注入結(jié)合熱處理-冷卻析出法利用金屬(如鎳)與碳在不同溫度下固溶度的差異，采用離子注入的方法能有效地注入一定劑量的碳離子到基體中，之后經(jīng)過高溫?zé)崽幚硎固荚訑U(kuò)散均勻地分布，最后均勻冷卻至室溫在基體表面析出石墨烯層。此種方法制備單層至多層石墨烯方法很有效，離子的大面積注入工藝也比較成熟。Raytheon公司的專利用的是聚焦離子束，該方法只能用氣體作離子源，通過與聚焦離子束反應(yīng)在高真空腔體中產(chǎn)生碳離子。這些離子無法經(jīng)過電磁場分析，因此能量范圍很大，難以控制沉積到基片上的離子能量，不能保證其單能性，而且聚焦離子束裝置只能做微小區(qū)域的操作，很難滿足大面積生產(chǎn)石墨烯的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決技術(shù)問題在于提供一種制備超薄碳膜的方法，可以大面積生產(chǎn)。本發(fā)明采用類似于低能團(tuán)簇負(fù)離子注入的方法在基體上沉積石墨烯或超薄碳膜， 利用團(tuán)簇束單個(gè)原子的低能量、劑量精確可控的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)直接沉積法制備石墨烯或超薄碳膜。具體方案是
采用裝置由離子源、掃描器、沉積靶室和真空系統(tǒng)組成，離子源、掃描器、沉積靶室依次相連，與真空系統(tǒng)連接，離子源產(chǎn)生團(tuán)簇碳負(fù)離子束，經(jīng)減速場在沉積靶室的基體上掃描形成石墨烯或超薄碳膜。離子源產(chǎn)生的碳團(tuán)簇離子束，經(jīng)過減速場，其能量從十幾KeV降低到幾十或幾百 eV，得到負(fù)離子束掃描在襯底上形成厚度均勻的石墨烯或超薄碳膜。原理圖如圖1。本發(fā)明以高密度的石墨棒作為濺射靶，濺射面是平面，濺射電壓Vsp為5-6 kV ；濺射產(chǎn)生的碳團(tuán)簇束由吸極引出孔引出，吸極電壓Vex為10-15 kV。引出的C1-Cltl對應(yīng)的團(tuán)簇束流如圖3所示，其中Vsp=5. 6 kV, VEX=12. 0 kV。本發(fā)明所述掃描器采用合軸裝置，用雙路交流電源代替直流電源來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明所述離子源如圖2所示，由銫爐、離化器、碳靶、吸極幾部分構(gòu)成，離子源工作原理銫爐中的液態(tài)金屬銫在加熱作用下蒸發(fā)，產(chǎn)生的銫蒸汽到達(dá)用大電流加熱的鎧裝鉭絲繞成的凹面型離化器的表面，冷的銫的氣體分子遇到熱鉭絲而電離，產(chǎn)生的銫離子在負(fù)的靶電壓作用下加速往靶運(yùn)動，將靶中碳原子以團(tuán)簇負(fù)離子的形式濺出，團(tuán)簇負(fù)離子在一個(gè)高于靶電位的吸極負(fù)電壓作用下加速往吸極運(yùn)動，最終將團(tuán)簇負(fù)離子由吸極引出。本發(fā)明所述沉積靶室其結(jié)構(gòu)如圖4所示。靶室安裝在串列加速器的離子源與加速管之間，為了不影響加速器整體的離子光學(xué)，團(tuán)簇沉積靶室設(shè)計(jì)成窄型(200mm)，由靶室和插板閥取代現(xiàn)有的波紋管的位置，只增加20-30mm的自由漂移空間，不改變加速器的管路長度。本發(fā)明的有益效果是(1)制備的超薄碳膜厚度精確可控；(2)可在室溫下沉積； (3)掃描作用下可制備均勻性較好的薄膜；(4)對于電子器件，電極的制備極其方便。


圖1為本發(fā)明原理圖。圖2為本發(fā)明中離子源的結(jié)構(gòu)圖，圖中(1)銫爐、(2)離化器、(3)冷卻劑、(4)碳靶、(5)陰極絕緣子。圖3為本發(fā)明方法濺射產(chǎn)生的C1-Cltl對應(yīng)的團(tuán)簇束流。圖4為本發(fā)明采用的沉積靶室平面圖和靶架平面圖。圖中(6)觀察窗、(7)掃描電極、(8)可旋轉(zhuǎn)銅桿、(9)固定連接管、(10)有機(jī)玻璃層、(11)連接管道、(12)插板閥、(13) 四面型鋁靶
圖5為本裝置所制備的碳膜的拉曼光譜圖(內(nèi)插圖對應(yīng)的是制備出的碳膜的AFM圖)。圖6為本發(fā)明靶架加抑制電極罩之后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。圖中(14)銅電極、(15)可旋轉(zhuǎn)銅桿、(16)電極、(17) 70mm有機(jī)玻璃層、(18)連接管道、(19)插板閥、(20)連接電極、 (21) 20mm有機(jī)玻璃層、(22)束流窗口、(23)四面型鋁靶、(24)抑制電極罩。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 未加掃描電場，只加減速電場
沉積靶室中未安放靶架時(shí)，此時(shí)插板閥12處于“off”狀態(tài)，沉積靶室之前的真空度優(yōu)于7X10_4!^。因?yàn)榘屑苡袡C(jī)玻璃層10、連接管道11之間連接有一個(gè)小的真空閥門，在安裝靶架到沉積靶室中時(shí)，需要先適當(dāng)預(yù)抽真空，打開插板閥12 (“on”狀態(tài))使得分離開的靶架可旋轉(zhuǎn)銅桿8、固定連接管9、有機(jī)玻璃層10部分很容易手動旋轉(zhuǎn)到沉積靶室中央(盡量使最前端鋁靶上面的基體平面法線與團(tuán)簇束流的方向保持平行)，可在觀察窗6處觀察窗口觀測靶面實(shí)際位置。固定好靶架整體位置，密封好有機(jī)玻璃層10、連接管道11處連接部分，繼續(xù)抽真空，使得真空度好于1.0X 10_3 Pa。離子源采用高密度的石墨棒作為濺射靶，離化器上由于熱離化作用產(chǎn)生的銫正離子在濺射靶壓Vsp的作用下加速向?yàn)R射靶運(yùn)動，產(chǎn)生的碳團(tuán)簇離子束經(jīng)吸極Vex選擇、引出負(fù)團(tuán)簇離子束。經(jīng)過兩個(gè)45°偏轉(zhuǎn)磁鐵來區(qū)分碳團(tuán)簇負(fù)離子束(C1-Cltl),此處用束流積分儀測量這些負(fù)離子束的流強(qiáng)，以此來選擇合適的用來做沉積石墨烯或超薄碳膜的碳團(tuán)簇負(fù)離子束。在8處位置附近加上10-14 kV的負(fù)方向減速電場，之后通過束流積分儀測量四面型鋁靶13處的束流大小。因?yàn)槭鞣e分儀工作電壓是220V，積分儀測量夾和減速電極均接在銅桿8處附近位置，為了安全起見，我們使用一臺220V隔離變壓器來代替普通的供電電源來使積分儀工作，束流積分儀外殼懸空，這樣外殼與8處位置處于同電位。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測減速電壓的大小，我們在回路中串上一個(gè)150 M歐姆的電阻和一個(gè)量程為100 μ A的指針式電流表，用測量高壓的電表測得8處實(shí)際高壓，同時(shí)記錄微安表的電流，得到兩者之間的關(guān)系，為選擇合適的減速電壓提供了又一保證。用束流積分儀實(shí)際測量銅桿上的束流強(qiáng)度時(shí)，由于測量夾處在位置8處附近，對于10 kV以上的高壓，很容易在絕緣有機(jī)玻璃層10處與測量夾之間產(chǎn)生放電，導(dǎo)致束流積分儀燒壞。因此，選擇有機(jī)玻璃層10處的有機(jī)玻璃必須絕緣性好，厚度也不宜太薄，邊緣部位需打磨光滑，否則與測量夾之間類似于尖端電極的放電很容易燒壞儀器。
實(shí)施例2 加減速電場，加掃描電場
方案2中加減速電場的操作步驟類似于方案1，只是需要加XY方向掃描電場時(shí)出于安全因素考慮，必須做好前期準(zhǔn)備工作。用雙路交流電源代替直流電源來給合軸掃描裝置加電壓時(shí)，選擇7處掃描電極對應(yīng)的X軸和Y軸方向，選擇合適的雙路輸出電壓，如均可選擇為^V。在靶架平面的法線垂直方向，也就是在束流的四圍垂直方向加上上述X軸或Y軸方向的電壓時(shí)，用測量高壓的電表確定實(shí)際測得的掃描電壓值，能使束流在離靶平面近距離條件下的減速過程后比較緩慢地落在基體上。所加掃描電壓形成的電場最好是勻強(qiáng)電場，來保證掃描過程的可控制性。由于減速場強(qiáng)不均勻，造成粒子的偏轉(zhuǎn)具有很大的隨機(jī)性，所以掃描的范圍應(yīng)該比基體的平面面積大，這樣才有可能控制其碳團(tuán)簇束落在基體表面形成較大面積的超薄碳膜。圖5的拉曼光譜為用此方法制備的超薄碳膜，對應(yīng)拉曼位移G峰(IMOcnT1)與一般納米結(jié)構(gòu)的石墨烯和碳膜對應(yīng)的G峰符合甚好。且隨沉積時(shí)間，強(qiáng)度明顯增加。內(nèi)插圖是沉積時(shí)間為60分鐘得到的碳膜的AFM圖，其尺寸均方根(RMS)為5. 510納米。此兩項(xiàng)表征說明制備得到的是納米結(jié)構(gòu)的碳膜。
實(shí)施例3
由于靶架設(shè)計(jì)的有機(jī)玻璃層17處與束流積分儀測量夾15處位置太近，導(dǎo)致加10 kV 以上高壓時(shí)，容易產(chǎn)生放電燒壞儀器；再者為了更好地抑制二次電子對束流測量的影響，需要在靶上加抑制電壓。針對這兩種限制，我們對靶架的細(xì)節(jié)位置處進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖6。
優(yōu)化位置如下
1)17處原來的40mm有機(jī)玻璃層厚度改為70mm
2)貫穿70mm有機(jī)玻璃層固定一個(gè)電極16，與20處的連接電極用一條良導(dǎo)線連接，可在M處加上220V的抑制電壓
3)21處20mm有機(jī)玻璃層使抑制電極罩與四面型鋁靶絕緣開來
4)22處開窗，使束流通過窗口準(zhǔn)確入射到基體上
實(shí)驗(yàn)證明，17處有機(jī)玻璃層厚度改進(jìn)，至少能耐壓20 kV而不出現(xiàn)放電現(xiàn)象。加抑制電壓能有效抑制二次電子，在14處測得的束流與原來的數(shù)據(jù)比較能很好地說明這一點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用碳團(tuán)簇離子束制備超薄碳膜的方法，其特征在于，采用裝置由離子源、掃描器、沉積靶室和真空系統(tǒng)組成，離子源、掃描器、沉積靶室依次相連，與真空系統(tǒng)連接，離子源產(chǎn)生團(tuán)簇碳負(fù)離子束，經(jīng)減速場在沉積靶室的基體上掃描形成超薄碳膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，離子源產(chǎn)生碳團(tuán)簇離子束，以高密度的石墨棒作為濺射靶，濺射面是平面，濺射電壓Vsp為5-6 kV。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，離子源產(chǎn)生碳團(tuán)簇離子束，濺射產(chǎn)生的碳團(tuán)簇束由吸極引出孔引出，吸極電壓Vex為10-15 kV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述掃描器采用合軸裝置，用雙路交流電源代替直流電源來實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，沉積靶室內(nèi)四面型鋁靶外加抑制電極罩。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備超薄碳膜的方法。用銫離子濺射石墨靶產(chǎn)生小碳團(tuán)簇負(fù)離子束，在合適的真空條件下，經(jīng)減速電場后在基材表面上掃描沉積形成超薄碳膜。本裝置主要由離子源、掃描器、沉積靶室和真空系統(tǒng)組成。離子源、掃描器、沉積靶室依次相連，處于真空系統(tǒng)之中。離子源產(chǎn)生的碳團(tuán)簇負(fù)離子束，其能量從十幾KeV降低到幾十或幾百eV，經(jīng)掃描在襯底上形成厚度均勻的超薄碳膜。本發(fā)明利用低能團(tuán)簇負(fù)離子束單個(gè)原子的低能量、劑量精確可控的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)直接沉積法制備超薄碳膜。
文檔編號C23C14/46GK102373433SQ201110370968
公開日2012年3月14日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者付德君, 張?jiān)珂? 王世旭, 王澤松 申請人:武漢大學(xué)