王志陽

（遼寧城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)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(shè)職業(yè)技術(shù)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(chǎn)品已經(jīng)被人們廣泛應(yīng)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(guān)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(wěn)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(yè)的發(fā)展?；诖?，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(yè)快速發(fā)展。

1 石墨烯的概念

石墨烯屬于二維晶體，由于其內(nèi)部的電子與質(zhì)子運動速度較快，具有很高的穩(wěn)定性，在普通導(dǎo)體中，其內(nèi)部的質(zhì)子與電子運動速率遠遠低于石墨烯內(nèi)部的質(zhì)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(jīng)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(jù)大量的研究數(shù)據(jù)表明，由于石墨烯的穩(wěn)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(huán)保包裝，減少細菌對系統(tǒng)的影響。

2 大尺寸單晶石墨烯的制備原理與相關(guān)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(chǎn)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(yīng)速率，但是其生產(chǎn)成本過高，會降低企業(yè)的經(jīng)濟效益。當工作人員采用SIC外部延長生產(chǎn)法制備大尺寸石墨烯時，石墨烯的生產(chǎn)成本較高，不利于企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，因此，為了不斷提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，企業(yè)中的工作人員在實際工作中，要嚴格控制石墨烯的反應(yīng)溫度，從而降低大尺寸單晶石墨烯的生產(chǎn)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(yīng)時間，保證其生產(chǎn)質(zhì)量。同時，CVD法制備的石墨烯穩(wěn)定性較高，生產(chǎn)成本較低，已經(jīng)被人們廣泛應(yīng)用到大尺寸單晶石墨烯的生產(chǎn)當中。

利用CVD法制備大尺寸單晶石墨烯，在高溫狀態(tài)下，利用甲烷作為生產(chǎn)原料，氫氣作為保護氣體。石墨烯的生產(chǎn)裝置主要包括石墨反應(yīng)室與氣體加熱設(shè)備、氣體統(tǒng)計系統(tǒng)、真空反應(yīng)系統(tǒng)與冷卻反應(yīng)設(shè)備等。在實驗過程中，工作人員需要對生產(chǎn)設(shè)備進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般控制在1077攝氏度左右，預(yù)熱一段時間之后，可以將甲烷氣體投放到反應(yīng)室中，反應(yīng)時間大約在40分鐘左右，在這個時間段內(nèi)，需要保證反應(yīng)溫度，讓甲烷的反應(yīng)速率加快。同時，在反應(yīng)的過程中，可以在反應(yīng)室中加入適量的氫氣，減少安全事故的發(fā)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(chǎn)溫度較高，一般維持在1000攝氏度左右，當反應(yīng)溫度高，不但會保證石墨烯的生產(chǎn)質(zhì)量，還能夠讓甲烷等原料得到更好的利用。如果反應(yīng)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(chǎn)質(zhì)量。因此，四邊形石墨烯生產(chǎn)人員在實際工作中，需要嚴格控制反應(yīng)溫度，提高石墨烯的反應(yīng)速度，保證四邊形石墨烯的生產(chǎn)質(zhì)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(wěn)定狀態(tài)的四邊形石墨烯，由于生長溫度，產(chǎn)生的石墨烯形態(tài)也不同。同時，由于四邊形石墨烯沒有固定形狀，常常出現(xiàn)較長的生長結(jié)構(gòu)，具體形態(tài)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(dǎo)向存在很多差異，當晶體之間的距離較大時，石墨烯會出現(xiàn)生長緩慢現(xiàn)象。可以在石墨烯中添加催化劑，提高石墨烯的反應(yīng)速率。另外，如果石墨烯的反應(yīng)溫度不穩(wěn)定，不但會影響其生長速率，還會降低反應(yīng)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(yīng)溫度過高，很容易形成六邊形石墨烯，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示，當反應(yīng)溫度由1000攝氏度升到1077攝氏度時，反應(yīng)室表面的銅箔會出現(xiàn)液態(tài)。在石墨烯生長的過程中，石墨表面的碳與晶體結(jié)構(gòu)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(xiàn)液態(tài)，石墨中的晶體會逐漸變形，并且反應(yīng)速度很快。同時，在反應(yīng)的過程中，由于加入大量的保護氣，對石墨烯的變形也產(chǎn)生一定的影響，不但能夠加快反應(yīng)速度，還會保證六邊形石墨烯的生產(chǎn)質(zhì)量。

圖2 1077攝氏度下的六邊形石墨烯形態(tài)

石墨烯在反應(yīng)的過程中，會產(chǎn)生大量的石墨原子，這些原子會影響反應(yīng)速率，因此，為了保證六邊形石墨烯的生產(chǎn)質(zhì)量與反應(yīng)速率，為了保證石墨烯生長成正六邊形，可以在反應(yīng)室內(nèi)添加適量穩(wěn)定劑，并嚴格控制反應(yīng)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(yīng)室中的銅箔也會發(fā)生反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進行，銅箔厚度逐漸下降。因此，為了保證反應(yīng)速度，需要定期更換反應(yīng)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(xiàn)重疊時，說明反應(yīng)室的溫度過高，或者是石墨烯中的晶體含量過高，影響反應(yīng)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(xiàn)重疊，會產(chǎn)生阻止反應(yīng)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(wěn)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(xiàn)象的產(chǎn)生。

除此之外，通過不斷向反應(yīng)室內(nèi)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(yīng)室中的石墨烯出現(xiàn)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(zhì)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(yīng)室中的氣流比，從根本上保證大尺寸單晶石墨烯的生長質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，在不同的溫度下，大尺寸單晶石墨烯的形態(tài)與穩(wěn)定性有所不同，工作人員需要根據(jù)石墨烯的實際情況，合理控制反應(yīng)溫度，保證石墨烯的生產(chǎn)質(zhì)量。但是，相關(guān)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(chǎn)質(zhì)量，工作人員需要不斷學習國內(nèi)外先進的石墨烯制備知識，提高自身的專業(yè)技能。

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