一種制備富勒烯納米結構的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種制備富勒烯納米結構的方法，具體步驟如下：在潔凈的襯底材料表面制備非晶碳層，碳層的厚度為2-6納米；將制備有非晶碳層的襯底放入真空室，抽真空至體系真空度達到2*10-3Pa以下；開啟電子槍，將電子束匯聚至襯底表面，電子束的束流強度為103-105e*s^(-1)*nm^(-2)，經(jīng)過10-200分鐘的電子束輻照后即在電子束輻照點位置制備得到富勒烯材料?？梢远c在特定位置制備單個的富勒烯顆粒；可以獲得不同層數(shù)的富勒烯材料；所獲得的富勒烯材料結構狀態(tài)良好。
【專利說明】一種制備富勒烯納米結構的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在材料表面特定位置高精度制備富勒烯納米結構的方法，尤其涉及一種利用電子束輻照加工在材料表面形成富勒烯納米結構的方法，屬于先進半導體材料制備的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]富勒烯是碳元素的一種特殊同素異形體，其特殊的球狀形態(tài)使其具有高結構穩(wěn)定性，可以用于半導體器件的構造，先進功能材料添加劑，太陽能電池等領域。狹義的富勒烯是指C60分子，其由60個碳原子構成完好的球形，因此也被稱為是足球烯。廣義的富勒烯包括由碳原子層構成的各種球狀結構，其中每一層碳原子層具有類似于石墨烯的結構。
[0003]目前已經(jīng)有多種方法用于制備富勒烯材料，包括電弧放電法，也即使用石墨棒在低電壓大電流情況下進行電弧燒蝕形成富勒烯結構；物理/化學氣相淀積方法，也即使用含有碳源的揮發(fā)性前驅體材料，在特定的載氣下進行富勒烯結構的生長；超聲化學法，也即使用超聲石墨片的方法，在超聲的激勵下縫合石墨烯片層，生長富勒烯結構。以上幾種方法各有優(yōu)缺點，其中物理/化學氣相淀積方法比較適合于大面積的制備富勒烯結構，電弧放電法制備得到的富勒烯質量較高，超聲化學法制備富勒烯成本較低。
[0004]在通常的基于半導體電路的應用中，富勒烯材料一般需要支撐在特定的襯底上形成富勒烯-襯底接觸以獲得特定的電學性能，比如半導體整流特性或者傳感響應特性。此時需要富勒烯和襯底具有良好的接觸狀態(tài)，同時需要富勒烯能夠生長在特定的位置。在有些應用要求比較高的場合，還需要在特定的位置形成單個的富勒烯-襯底接觸。即在一定的范圍內只含有單個的富勒烯。傳統(tǒng)的光刻工藝雖然可以使用刻蝕的方法去除多余的富勒烯，但是其成本較高，工藝復雜，并且有可能受到較大的污染。對于形成單個富勒烯-襯底接觸，傳統(tǒng)工藝方法也非常難以實現(xiàn)。
[0005]因此，在未來的單分子電路中，當需要構建這種單個富勒烯-襯底接觸時，傳統(tǒng)的方法可能都會遇到很大的困難。為了有效的構建這種結構，需要尋找一種新的方法
【發(fā)明內容】
[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明提出一種制備富勒烯納米結構的方法，使用電子束輻照加工淀積在襯底材料表面的非晶碳薄層，促使其轉化成富勒烯材料的方法。通過一種全新的，表面吸附誘導的富勒烯生長機制在襯底表面的指定位置制備不同層數(shù)的富勒烯材料。
[0007]本發(fā)明的技術方案是:一種制備富勒烯納米結構的方法，具體步驟如下:
[0008](I)在潔凈的襯底材料表面制備非晶碳層，碳層的厚度為2-6納米；
[0009](2)將制備有非晶碳層的襯底放入真空室，抽真空至體系真空度達到2*10_3Pa以下；
[0010](3)開啟電子槍，將電子束匯聚至襯底表面，電子束的束流強度為103-105e*s~ (_1)*ηπΓ (-2)，經(jīng)過10-200分鐘的電子束輻照后即在電子束輻照點位置制備得到富勒烯材料。
[0011]進一步的，所述襯底材料為Ni，Au, Si, S12, Al2O3, ZnO或者SiC。
[0012]非晶碳薄層受到電子束的輻照后轉化為石墨烯小片結構。這些小片結構在電子束的進一步輻照下會相互連接，形成層狀的碳層結構，這種碳層結構是富勒烯結構的生成基礎單元。處于石墨烯片邊緣的碳原子具有未飽和鍵，容易與襯底材料的表面原子產(chǎn)生相互作用，發(fā)生鍵合。這一作用使得石墨烯片的邊緣傾向于以垂直于襯底表面的方式與襯底鍵合。與襯底鍵合后的石墨烯片層收到電子束的輻照后會逐漸完善結構，形成帶缺口的富勒烯小球。隨著電子束輻照，小球的直徑變小，其缺口也最后消失，形成完整的富勒烯結構
[0013]本發(fā)明的有益效果:
[0014]這一途徑基于一種全新的生長機制制備富勒烯材料。非晶碳薄層受到電子束的輻照后轉化為石墨烯小片結構，這些小片結構隨后將其邊緣連接至襯底表面，伴隨著電子束輻照，石墨烯小片相互連接，最后石墨烯小片封閉形成球狀的富勒烯結構。其優(yōu)勢如下:
[0015]1.可以定點在特定位置制備單個的富勒烯顆粒；
[0016]2.可以獲得不同層數(shù)的富勒烯材料；
[0017]3.所獲得的富勒烯材料結構狀態(tài)良好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1:圖示使用非晶碳薄膜制備富勒烯結構的過程原理圖。其中I為非晶薄膜，2為襯底，3為經(jīng)過電子束輻照后初步生成的石墨烯小片，4為邊緣與襯底垂直相鍵合的單層石墨烯片，5為開口未封閉的單層富勒烯結構，6為最終形成的單層富勒烯結構。7為邊緣與襯底垂直相鍵合的多層石墨烯片，8為開口未封閉的多層富勒烯結構，9為最終形成的多層富勒烯結構。
[0019]圖2:使用本發(fā)明制備得到的單層結構的富勒烯的透射電鏡照片。其中(a)為非晶碳薄膜經(jīng)過輻照后形成的石墨烯小片，(b)為石墨烯小片被電子束刻蝕掉一部分，(C)為石墨烯片邊緣垂直于襯底表面鍵合的狀態(tài)，(d)為待封閉的單層富勒烯顆粒，(e)為最終形成的完整的單層富勒烯納米結構。圖上標尺為2納米。
[0020]圖3:使用本發(fā)明制備得到的雙層結構的富勒烯的透射電鏡照片。其中(a)為非晶碳薄膜，(b)為非晶碳薄膜經(jīng)過輻照后形成的石墨烯小片，(C)為石墨烯片邊緣垂直于襯底表面鍵合的狀態(tài)，(d)為待封閉的雙層富勒烯顆粒，(e)內層已經(jīng)封閉，外層未封閉的富勒烯結構，(f)為最終形成的完整的雙層富勒烯納米結構。圖上標尺為2納米。
[0021]圖4:使用本發(fā)明制備得到的三層結構的富勒烯的透射電鏡照片。其中(a)為非晶碳薄膜經(jīng)過輻照后形成的石墨烯小片，(b)為石墨烯小片形成三層堆疊的結構，(C)為石墨烯片邊緣垂直于襯底表面鍵合的狀態(tài)，(d)為待封閉的單層富勒烯顆粒，(e)為最終形成的完整的單層富勒烯納米結構。圖上標尺為2納米。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0023]實施實例1:在室溫狀態(tài)下，襯底選用氧化鋅材料。非晶碳薄膜厚度約2納米。樣品放入真空室，真空度約1.0X 10~ (-4) Pa，開啟電子束對指定的位置進行輻照。電子束強度約l*103e*s~ (_1)*ηπΓ (-2)。以2_10分鐘為間隔使用透射電子顯微鏡觀察一次樣品表面狀況。所得結果圖如圖2所示。經(jīng)過約50分鐘的電子束輻照后，可以看到單個的單層富勒烯結構最終在氧化鋅表面的指定位置形成。
[0024]實施實例2:在室溫狀態(tài)下，襯底選用氧化鋅材料。非晶碳薄膜厚度約3.5納米。樣品放入真空室，真空度約5.0X 10~ (-5) Pa，開啟電子束對指定的位置進行輻照。電子束強度l*105e*s~ (_1)*ηπΓ (-2)。以2_10分鐘為間隔使用透射電子顯微鏡觀察一次樣品表面狀況。所得結果圖如圖3所示。經(jīng)過約70分鐘的電子束輻照后，可以看到單個的雙層富勒烯結構最終在氧化鋅表面的指定位置形成。
[0025]實施實例3:在室溫狀態(tài)下，襯底選用氧化鋅材料。非晶碳薄膜厚度約6納米。樣品放入真空室，真空度約1.0X 10~ (-5)Pa，開啟電子束對指定的位置進行輻照。電子束強度l*105e*s~ (_1)*ηπΓ (-2)。以2_10分鐘為間隔使用透射電子顯微鏡觀察一次樣品表面狀況。所得結果圖如圖4所示。經(jīng)過約100分鐘的電子束輻照后，可以看到單個的三層富勒烯結構最終在氧化鋅表面的指定位置形成。
[0026]實施實例4:在室溫狀態(tài)下，襯底選用硅材料。非晶碳薄膜厚度約2納米。樣品放入真空室，真空度約2*10_3Pa，開啟電子束對指定的位置進行輻照。電子束強度l*105e*s~ (_1)*ηπΓ (-2)。以2_10分鐘為間隔使用透射電子顯微鏡觀察一次樣品表面狀況。經(jīng)過10分鐘的電子束輻照后，可以看到單個的三層富勒烯結構最終在氧化鋅表面的指定位置形成。
[0027]實施實例5:在室溫狀態(tài)下，襯底選用氧化硅材料。非晶碳薄膜厚度約6納米。樣品放入真空室，真空度約1.0X10~(-5)Pa，開啟電子束對指定的位置進行輻照。電子束強度l*103e*s~ (_1)*ηπΓ (-2)。以2_10分鐘為間隔使用透射電子顯微鏡觀察一次樣品表面狀況。經(jīng)過100分鐘的電子束輻照后，可以看到單個的三層富勒烯結構最終在氧化鋅表面的指定位置形成。
[0028]本發(fā)明的基本原理是非晶碳材料經(jīng)過福照后變成石墨稀小片，而石墨稀小片的邊緣與襯底材料的作用促使了富勒烯結構的生成?；谶@一原理，結合相關文獻的報道，其他襯底材料比如Ni，Au, Si, S12, Al2O3,和SiC都具有這一效應，因此都可以作為襯底材料。
[0029]以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認為本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。應當指出:對于本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干等同替代、變型和改進，這些對本發(fā)明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種制備富勒烯納米結構的方法，其特征在于:具體步驟如下: (1)在潔凈的襯底材料表面制備非晶碳層，碳層的厚度為2-6納米； (2)將制備有非晶碳層的襯底放入真空室，抽真空至體系真空度達到2*10_3Pa以下； (3)開啟電子槍，將電子束匯聚至襯底表面，電子束的束流強度為103-105e*s~ (_1)*ηπΓ (-2)，經(jīng)過10-200分鐘的電子束輻照后即在電子束輻照點位置制備得到富勒烯材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種制備富勒烯納米結構的方法，其特征在于:所述襯底材料為 Ni, Au, Si, Si02, A1203, ZnO 或者 SiC。
【文檔編號】B82Y30/00GK104401964SQ201410633383
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權日:2014年11月11日
【發(fā)明者】萬能, 萬樹 申請人:東南大學