專利名稱：石墨烯結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
示例實施例涉及ー種石墨烯結(jié)構(gòu)及其制造方法，更具體地，涉及具有各種結(jié)構(gòu)的石墨烯結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是具有由單原子層的碳形成的蜂巢結(jié)構(gòu)的ニ維QD)薄膜。碳原子形成具有帶有Sp2雜化軌道的2D鍵結(jié)構(gòu)的碳六邊形平面，具有平面結(jié)構(gòu)的碳原子的復(fù)合體被稱作
^n &煉 O可以有形成石墨烯的各種方法，包括機械剝落法、化學剝落法、SiC熱處理法、化學氣相沉積(CVD)法、外延合成法和有機合成法，此外已經(jīng)提出了使用光刻エ藝的石墨烯的微小圖案化。由于石墨烯具有不同于已有材料的非常有用的特性，所以已經(jīng)開展各種研究以將石墨烯應(yīng)用到電子器件。

發(fā)明內(nèi)容
示例實施例提供由石墨烯形成的具有各種三維(3D)形狀的石墨烯結(jié)構(gòu)以及形成具有各種3D形狀的石墨烯結(jié)構(gòu)的方法。附加的方面將在以下的描述中部分闡述，并將部分地從該描述而顯然，或者可以通過示例實施例的實踐而習知。根據(jù)示例實施例，石墨烯結(jié)構(gòu)可以包括模板，具有三維(3D)形狀；和石墨烯，構(gòu)造為覆蓋模板的外周邊的至少一部分。模板可以具有桿形，石墨烯可以構(gòu)造為圍繞模板的外周邊。模板可以是納米線和納米棒中的至少ー種。模板可以由鍺(Ge)形成或者可以包括在其表面上的Ge涂層。根據(jù)示例實施例，石墨烯結(jié)構(gòu)可以包括形成為中空管的石墨烯。根據(jù)示例實施例，石墨烯結(jié)構(gòu)可以包括第一支撐層；第一石墨烯，在第一支撐層上；第二支撐層，在第一石墨烯上；以及第ニ石墨烯，在第二支撐層上。第一和第二支撐層可以由Ge形成或者可以包括在其表面上的Ge涂層。第一石墨烯和第二石墨烯中的至少ー個可以被圖案化。石墨烯結(jié)構(gòu)還可以包括在第二石墨烯上的第三支撐層以及在第三支撐層上的第三石墨烯，以形成多層的石墨烯結(jié)構(gòu)。多層石墨烯結(jié)構(gòu)可以包括在其中的多個孔。根據(jù)示例實施例，石墨烯結(jié)構(gòu)可以包括第一石墨烯；第二石墨烯，在垂直方向上與第一石墨烯的表面分離；以及第三石墨烯，構(gòu)造為交叉第一石墨烯和第二石墨烯并支撐第一石墨烯和第二石墨烯。根據(jù)示例實施例，ー種形成石墨烯結(jié)構(gòu)的方法可以包括將三維模板置于反應(yīng)室中，該模板包括由第一鍺(Ge)層形成的至少ー表面；以及通過供應(yīng)含碳氣體到反應(yīng)室中而沿著第一 Ge層的外周邊生長第一石墨烯。模板可以具有桿形。模板可以是第一 Ge層，并可以在形成第一石墨烯之后被去除。模板可以由非Ge材料形成，第一 Ge層可以形成在模板的至少一部分上。
第一 Ge層可以在形成第一石墨烯之后被去除。第一 Ge層可以根據(jù)圖案而形成， 第一石墨烯可以沿著Ge層的圖案生長。該方法還可以包括在第一石墨烯上形成第二 Ge層以及在第二 Ge層上形成第二石墨烯。在第一石墨烯上形成第二 Ge層可以包括使用非Ge材料在第一石墨烯上形成非Ge 層；以及在非Ge層上形成第二 Ge層。該方法還可以包括通過在第二石墨烯上重復(fù)堆疊另ー Ge層和另一石墨烯而形成多層石墨烯。該方法還可以包括在多層石墨烯中形成多個孔以及用功能材料填充多個孔。 該方法還可以包括根據(jù)圖案來蝕刻第一石墨烯和第二石墨烯。第一石墨烯和第二石墨烯的通過蝕刻暴露的邊緣可以是氫封端的或用功能團處理。該方法還可以包括在第一石墨烯和第二石墨烯的通過蝕刻暴露的側(cè)表面上形成第三石墨烯。第一 Ge層和第二 Ge層可以在形成第三石墨烯之后被去除。第一至第三石墨烯可以是單原子層、雙原子層和三原子層中的至少ー種。根據(jù)示例實施例的形成石墨烯結(jié)構(gòu)的方法有助于容易地實現(xiàn)三維形狀的石墨烯。 石墨烯結(jié)構(gòu)可以用于實現(xiàn)三維形狀的電路、電子器件、光學器件或能量器件。此外，石墨烯結(jié)構(gòu)能夠用于實現(xiàn)納米尺寸的機械結(jié)構(gòu)。


從以下結(jié)合附圖對實施例的描述，這些和/或其他的方法將變得明顯并更易于理解，在附圖中圖IA是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖IB至圖ID是示出圖IA的石墨烯結(jié)構(gòu)的模板的變型示例的透視圖；圖2A至圖2D是示出根據(jù)示例實施例的形成圖IA的石墨烯結(jié)構(gòu)的示例方法的透視圖；圖3A至圖3D是根據(jù)示例實施例的形成圖IA的石墨烯結(jié)構(gòu)的另一方法的透視圖；圖4是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖5是根據(jù)圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)的修改版本的示意性截面圖；圖6是圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)的另一修改版本的示意性截面圖；圖7是圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)的另一修改版本的示意性截面圖；圖8A至圖8E是示出形成圖5的石墨烯結(jié)構(gòu)的示例方法的截面圖；圖9A至圖9E是示出形成圖6的石墨烯結(jié)構(gòu)的示例方法的截面圖；圖10是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖IlA至圖IlD是示出形成圖10的石墨烯結(jié)構(gòu)的示例方法的截面圖；圖12是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)的透視圖；圖13是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)的示意性剖面透視圖；圖14是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)的透視圖；以及圖15A至圖15D是示出形成圖14的石墨烯結(jié)構(gòu)的示例方法的截面圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參照實施例，實施例的示例在附圖中示出。在附圖中，相似的附圖標記始終指代相似的元件，并且為了清晰，可以夸大層和區(qū)域的長度和尺寸。將理解，當稱一元件諸如層、膜、區(qū)域或基板在另一元件“上”吋，它可以直接在另一元件上，或者還可以存在居間的元件。相反，當稱一元件“直接在”另一元件上時，不存在居間的元件。將理解，雖然這里可使用術(shù)語“第一”、“第二”等描述各種元件、組件、區(qū)域、層和/ 或部分，但這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受限于這些術(shù)語。這些術(shù)語僅用于將ー 個元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一元件、組件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。因此，以下討論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分而不背離示例實施例的教導(dǎo)。為便于描述此處可以使用諸如“在· · ·之下”、“在· · ·下面”、“下”、“在· · ·之上”、
“上”等空間相對性術(shù)語以描述如附圖所示的一個元件或特征與另ー個(些)元件或特征之間的關(guān)系。將理解，空間相對性術(shù)語旨在概括除附圖所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉(zhuǎn)過來，則被描述為“在”其他元件或特征“之下”或 “下面”的元件將會在其他元件或特征的“上方”。因此，示例性術(shù)語“在...下面”就能夠涵蓋之上和之下兩種取向。器件可以采取其他取向(旋轉(zhuǎn)90度或在其他取向)，這里所用的空間相對性描述符做相應(yīng)解釋。這里所用的術(shù)語僅僅是為了描述特定實施例的目的，并非要限制示例實施例。如這里所用的，除非上下文另有明確表述，否則単數(shù)形式“一”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式。 將進一歩理解的是，術(shù)語“包括”和/或“包含”，當在本說明書中使用吋，指定了所述特征、 整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但并不排除ー個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或増加。這里參照截面圖描述了示例實施例，這些圖為示例實施例的理想化實施例(和中間結(jié)構(gòu))的示意圖。因而，舉例來說，由制造技術(shù)和/或公差引起的圖示形狀的變化是可能發(fā)生的。因此，示例實施例不應(yīng)被解釋為僅限于此處示出的區(qū)域的特定形狀，而是包括由例如制造引起的形狀偏差在內(nèi)。例如，圖示為矩形的注入?yún)^(qū)在其邊緣處將通常具有圓化或彎曲的特征和/或注入濃度的梯度，而不是從注入?yún)^(qū)到非注入?yún)^(qū)的ニ元變化。類似地，通過注入形成的埋入?yún)^(qū)可以導(dǎo)致在埋入?yún)^(qū)與通過其發(fā)生注入的表面之間的區(qū)域中的ー些注入。因此，附圖所示的區(qū)域在本質(zhì)上示意性的，它們的形狀并非要示出器件的區(qū)域的真實形狀，也并非要限制示例實施例的范圍。除非另行定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)都具有示例實施例所屬領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所通常理解的同樣的含義。將進一歩理解的是，諸如通用詞典中所定義的術(shù)語，除非此處加以明確定義，否則應(yīng)當被解釋為具有與它們在相關(guān)領(lǐng)域的語境中的含義相一致的含義，而不應(yīng)被解釋為理想化的或過度形式化的意義。在本說明書中，術(shù)語“石墨烯”是指由ニ維QD)碳六邊形平面形成的多環(huán)芳香族分子，也就是具有通過多個碳原子的共價鍵形成的蜂巢結(jié)構(gòu)的2D薄膜。通過共價鍵彼此連接的碳原子形成六元環(huán)(six-membered ring)作為基本重復(fù)單元。然而，碳原子的結(jié)構(gòu)還可以包括五元環(huán)和/或七元環(huán)。因此，石墨烯看起來是共價結(jié)合的(sp2雜化)碳原子的單層。石墨烯可以具有各種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)根據(jù)包括在石墨烯中的五元環(huán)或七元環(huán)而變化。石墨烯可以形成為單原子層，或者可以通過堆疊多個碳原子而由多原子層形成。
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圖IA是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)100的示意性透視圖。參照圖1A，石墨烯結(jié)構(gòu)100可以包括具有桿形的模板110和圍繞模板110的外周邊的石墨烯150。模板110具有桿形，對形成模板110的尺寸和材料沒有特別的限定。模板110可以是納米線或納米棒， 例如鍺納米線或硅納米線。在一些情形下，模板110可以具有在從約幾微米(μπι)至約幾毫米(mm)或更大的范圍內(nèi)。在示例實施例中，當石墨烯結(jié)構(gòu)100用作功能材料的載體吋， 模板110可以包括功能材料。在圖IA中，模板110示出為圓柱形，但不限于此。例如，模板110可以具有各種三維(3D)形狀，例如如圖IB至圖ID所示的多邊形柱、球形或多面體。石墨烯150可以不緊密地附著到模板110。例如，當模板110由鍺Ge形成吋，因為石墨烯150形成在模板110上，所以石墨烯150可以緊密地附著到模板110。然而，石墨烯結(jié)構(gòu)100可以是由于去除模板110而僅由石墨烯150形成的中空石墨烯管。當石墨烯150具有中空管形吋，石墨烯150的外觀可以類似于碳納米管。然而，石墨烯150可以不同于碳納米管之處在于，模板110可以與石墨烯150相互作用。此外，典型的碳納米管，例如多壁碳納米管，具有約IOOnm或更小的直徑。然而，根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)100在其直徑大小上沒有限制。例如，石墨烯結(jié)構(gòu)100可以形成為從IOOnm至約 Imm的直徑。此外，根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)100可以形成為約IOOnm或更小的直徑。 此外，由于石墨烯150取決于模板110的形狀，當模板110為如圖IB所示的多邊柱形吋，石墨烯150的截面可以具有多邊管形。對于另一示例，當模板110為如圖IC所示的球形吋， 石墨烯150可以具有球殼形。對于另一示例，當模板110為如圖ID所示的多面體形狀吋， 石墨烯150可以具有多面體殼形。如上所述的石墨烯結(jié)構(gòu)100可以用于利用石墨烯的物理和化學性質(zhì)的器件、傳感器或機械結(jié)構(gòu)。此外，由于對形成模板110的材料沒有限制，所以石墨烯結(jié)構(gòu)100還可以用于保護或運輸預(yù)定或給定的功能材料。圖2A至圖2D是示出根據(jù)示例實施例的形成圖IA的石墨烯結(jié)構(gòu)100的示例方法的透視圖。參照圖2A，可以制備由Ge形成的模板110。例如，模板110可以是Ge納米線或單晶Ge棒。此外，模板110可以具有各種3D形狀，例如多邊形柱、球形或多面體(參照圖 IB 至 1D)。參照圖2B，石墨烯150可以生長在模板110的外周邊上。利用Ge形成石墨烯的可行方法已經(jīng)在登記到當前發(fā)明人的美國專利申請登記號12/976874中公開。例如，石墨烯 150可以通過使用化學氣相沉積(CVD)法形成在模板110的外周邊上，也就是如圖2C所示在將模板110置于反應(yīng)室190中之后將含碳氣體G注入到反應(yīng)室190中。更具體地，含碳氣體G可以是CH4、C2H2, C2H4或CO。石墨烯150可以在約0. Itorr至760torr的室壓カ下在從約200°C至1100°C的范圍內(nèi)的溫度約10分鐘至約60分鐘而形成。Ge具有與碳的約937°C的相對高的共熔溫度， 碳在Ge中的溶解度極限可以為約IO8原子/cm3，這是相對低的水平。也就是，由于碳的溶解度在從約700°C至約850°C的范圍內(nèi)的溫度(其是典型的石墨烯沉積溫度)下相對低，所以碳可以容易地從模板110也就是Ge的外周邊沉積，因此可以容易地形成具有單原子層的石墨烯150。此外，具有多原子層例如雙原子層、三原子層或以上的石墨烯150可以通過改變沉積條件而形成。
作為形成石墨烯的常規(guī)CVD方法，已經(jīng)提出使用金屬催化劑的方法。然而，在使用金屬催化劑的方法中，石墨烯會由于在生長石墨烯之后金屬催化劑的不充分去除而被污染，或者石墨烯會在去除金屬催化劑時被損壞。此外，由于金屬催化劑具有相對高的溶解度，形成單原子層的石墨烯會是困難的。然而，在根據(jù)示例實施例的形成石墨烯的方法中， 可以不使用金屬催化劑，因此石墨烯可以不被任何殘留的金屬催化劑污染或損壞。因此，可以容易地形成具有單原子層的石墨烯150。如圖2D所示，由Ge形成的模板110可以從所得的產(chǎn)物中去除。在示例實施例中， Ge可以容易地溶解在液體例如水中。因而，模板110可以通過浸泡其上生長有石墨烯150 的模板110而被去除，因此可以獲得由純石墨烯150形成的石墨烯結(jié)構(gòu)100。如上所述，模板110的直徑或長度沒有被特別限定。因此，由根據(jù)示例實施例的方法形成的石墨烯150 的直徑或長度不受限制。圖3A至圖3D是示出根據(jù)示例實施例的形成圖IA的石墨烯結(jié)構(gòu)100的另一方法的透視圖。參照圖3A，可以制備模板112。用于形成模板112的材料沒有被特別限定。例如， 模板112可以由玻璃、藍寶石、塑料、金屬、硅、硅氧化物、半導(dǎo)體化合物或復(fù)合材料形成。模板112可以是納米結(jié)構(gòu)，例如納米線或納米棒，并可以具有在從約幾μ m至約幾mm或更大的范圍內(nèi)的尺寸。如圖3A所示，模板112可以具有圓柱形，或各種3D形狀，例如多邊形柱、 球形或多面體。參照圖加，Ge層115可以沉積在模板112的外周邊上。例如，Ge層115可以在將模板112置于反應(yīng)室(未示出)中之后利用CVD方法通過將含( 氣體例如GeH4或GeCl4注入到反應(yīng)室中而形成。Ge層115可以在從約200°C至約900°C的范圍內(nèi)的溫度在從約Itorr 至約300torr的范圍內(nèi)的壓カ下形成為從約IOnm至約IOym的范圍內(nèi)的厚度。除了 CVD 法之外，Ge層115可以通過原子層沉積(ALD)法、濺射法和電子束蒸發(fā)法來形成。Ge層115 可以是單晶層或多晶層。參照圖3C，石墨烯150可以生長在Ge層115的外周邊上。利用Ge層115形成石墨烯150的方法可以與參照圖2B描述的形成石墨烯150的方法基本相同。如圖3D所示，通過去除Ge層115可以僅保留石墨烯150中的模板112。在這點上，石墨烯結(jié)構(gòu)100可以包括模板112和圍繞模板112的石墨烯150。如上所述，由于對用于形成模板112的材料沒有特別的限制，所以可以根據(jù)需要來選擇用于形成模板112的材料。當重復(fù)參照圖加和圖3C描述的エ藝時，可以形成其中多層的Ge層115和石墨烯 150圍繞具有桿形的模板112的外周邊的結(jié)構(gòu)。此外，當去除Ge層115吋，可以形成其中多層石墨烯150圍繞具有桿形的模板112的結(jié)構(gòu)。由于石墨烯150可以利用Ge形成，所以每層的石墨烯150可以形成為單原子層。此外，每層的石墨烯150可以具有雙原子層或三原子層。在如圖3C所示形成石墨烯150以及用非Ge材料涂覆石墨烯150的外周邊之后，當具有圓柱形的多層石墨烯通過執(zhí)行參照圖3B和圖3C描述的エ藝形成吋，非Ge材料層可以形成在多層的石墨烯之間。圖4是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)200的示意性截面圖。參照圖4，石墨烯結(jié)構(gòu) 200具有堆疊結(jié)構(gòu)，其中第一 Ge層220、第一石墨烯230、第二 Ge層M0、第二石墨烯250、 第三Ge層260和第三石墨烯270可以依次形成在基板210上。用于形成基板210的材料沒有被特別限定。當基板210由Ge形成吋，可以省略第一 Ge層220。第一至第三石墨烯 230,250和270的每個可以形成為單原子層，也可以由多原子層形成，例如雙原子層、三原子層或更多原子的層。當認為石墨烯通常形成為2D片時，其中石墨烯如根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)200中一樣堆疊的石墨烯結(jié)構(gòu)可以被理解為3D形狀。在示例實施例中，以具有三層石墨烯的石墨烯結(jié)構(gòu)200作為示例來描述。然而，根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)200可以具有多層石墨烯結(jié)構(gòu)，其中兩層的石墨烯或超過四層的石墨烯被堆疊。圖5是圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)200的修改版本的示意性截面圖。參照圖5，根據(jù)修改版本的石墨烯結(jié)構(gòu)201具有以下結(jié)構(gòu)，其中第一至第三Ge層220、240和260可以從圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)200去除，因此石墨烯230、250和270保留。基板210也可以從第一至第三石墨烯230、250和270(未示出)去除。根據(jù)修改版本的石墨烯結(jié)構(gòu)201具有其中原子層的數(shù)目可以被精確控制的結(jié)構(gòu)，例如第一至第三石墨烯230、250和270。圖6是圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)200的另一修改版本的示意性截面圖。參照圖6，根據(jù)修改版本的石墨烯結(jié)構(gòu)202具有以下結(jié)構(gòu)，其中第一至第三非Ge層225、245和265可以額外地包括在圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)200中。第一非Ge層225可以插設(shè)在基板210與第一 Ge層 220之間，第二非Ge層245可以插設(shè)在第一石墨烯230與第二 Ge層240之間，第三非Ge層 265可以插設(shè)在第二石墨烯250與第三Ge層260之間。在隨后將描述的エ藝中，由于第一至第三非Ge層225、245和265與石墨烯的形成無關(guān)，所以用于形成第一至第三非Ge層225、245和沈5的材料沒有被特別限定。第一至第三非Ge層225、245和265的全部可以由相同的材料形成或可以由彼此不同的材料形成。第一至第三非Ge層225、245和265可以由例如玻璃、藍寶石、塑料、金屬、硅、硅氧化物、III-V 族半導(dǎo)體化合物或復(fù)合材料形成。圖7是圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)200的另一修改版本的示意性截面圖。參照圖7，根據(jù)修改版本的石墨烯結(jié)構(gòu)203具有其中第一至第三Ge層220、240和260可以從圖6的石墨烯結(jié)構(gòu)202去除的結(jié)構(gòu)，因此第一至第三石墨烯230、250和270以及第一至第三非Ge層225、 245和265保留在基板210上。由于石墨烯結(jié)構(gòu)203具有其中第一至第三石墨烯230、250 和270以及第一至第三非Ge層225、245和265交替堆疊的多層結(jié)構(gòu)，所以石墨烯結(jié)構(gòu)203 被理解為超晶格結(jié)構(gòu)。石墨烯結(jié)構(gòu)200、201、202和203具有非常類似于通常半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，因此可以容易地應(yīng)用到可使用石墨烯的各種電子器件、光學器件和能量器件。圖8A至圖8E是示出形成圖4的石墨烯結(jié)構(gòu)200或圖5的石墨烯結(jié)構(gòu)201的示例方法的截面圖。參照圖8A，第一 Ge層220可以在基板210上形成至例如在從約IOnm至約10 μ m 的范圍內(nèi)的厚度。如參照圖3B所述，第一 Ge層220可以通過使用CVD法形成在基板210 上。除了使用CVD法之外，第一 Ge層220還可以通過使用原子層沉積(ALD)法、濺射法或電子束蒸發(fā)法來形成。在示例實施例中，基板210可以由Ge形成。在示例實施例中，第一 Ge層220可以是基板210的上表面。參照圖8B，第一石墨烯230可以生長在第一 Ge層220的上表面上。使用第一 Ge 層220生長第一石墨烯230的方法可以與參照圖2B描述的方法基本相同。
如上所述，利用Ge生長石墨烯的エ藝可以重復(fù)地進行。結(jié)果，如圖8C所示，多層的石墨烯可以通過在基板210上依次堆疊第一 Ge層220、第一石墨烯230、第二 Ge層對0、 第二石墨烯250、第三Ge層260和第三石墨烯270而形成。在生長石墨烯的常規(guī)方法的情形下，在形成石墨烯之后，石墨烯可以被機械或化學地剝落從而被使用。然而，在根據(jù)示例實施例的形成石墨烯的方法中，石墨烯可以被直接堆疊，因此可以實現(xiàn)難以通過使用常規(guī)方法實現(xiàn)的多層石墨烯結(jié)構(gòu)。如圖8D所示，第一至第三Ge層220、240和260可以從所得產(chǎn)物去除。如圖8E所示，第一至第三石墨烯230、250和270保留在基板210上。在示例實施例中，石墨烯結(jié)構(gòu)可以由在基板210上的多層石墨烯形成，該多層石墨烯由第一至第三石墨烯230、250和270 形成。第一至第三石墨烯230、250和270的每個可以形成為單原子層，因此原子層的數(shù)目可以被精確地控制，例如在石墨烯結(jié)構(gòu)200中的第一至第三石墨烯230、250和270。如果需要，第一至第三石墨烯230、250和270的每個可以形成為多原子層，例如雙原子層、三原子層或更多原子的層。圖9A至圖9E是示出形成圖6的石墨烯結(jié)構(gòu)202或圖7的石墨烯結(jié)構(gòu)203的示例方法的截面圖。參照圖9A，第一非Ge層225可以形成在基板210上，第一 Ge層220可以形成在第一非Ge層225上。第一非Ge層225可以通過除Ge之外的任何材料形成。例如，第一非Ge層225可以由玻璃、藍寶石、塑料、金屬、硅、硅氧化物、半導(dǎo)體化合物或復(fù)合材料形成。第一非Ge層225可以基于用于形成第一非Ge層225的材料通過使用 CVD法、ALD法、濺射法或電子束蒸發(fā)法來形成。參照圖9B，第一石墨烯230可以形成在第一 Ge層220的上表面上。通過使用第一 Ge層220生長第一石墨烯230的方法可以與參照圖2B描述的方法基本相同。如上所述，通過使用Ge來生長石墨烯的エ藝可以重復(fù)地進行。結(jié)果，如圖9C所示， 多層的石墨烯可以通過在基板210上依次堆疊第一非Ge層225、第一 Ge層220、第一石墨烯230、第二非Ge層M5、第二 Ge層M0、第二石墨烯250、第三非Ge層洸5、第三Ge層260 和第三石墨烯270而形成。第一至第三非Ge層225、245和265可以由相同的材料形成，或者也可以由彼此不同的材料形成。如圖9D所示，第一至第三Ge層220、240和260可以被去除。因此，如圖9E所示， 可以形成超晶格結(jié)構(gòu)，其中第一至第三石墨烯230、250和270以及第一至第三非Ge層225、 245和265交替堆疊在基板210上。圖10是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)300的示意性截面圖。圖IlA至圖IlD是示出形成圖10的石墨烯結(jié)構(gòu)300的示例方法的截面圖。參照圖10和圖11A，具有預(yù)定或給定圖案的第一 Ge層320可以形成在基板310上。沒有形成第一 Ge層320的區(qū)域325可以用例如硅的材料來填充，其上不生長石墨烯。參照圖10和圖11B，第一石墨烯330可以形成在第一 Ge層320上。因此，第一石墨烯330具有與第一 Ge層320基本相同的圖案。參照圖10和圖11C，具有預(yù)定或給定圖案的第二 Ge層340可以形成在其上形成有第一石墨烯330的層上。沒有形成第一 Ge層340的區(qū)域345可以用例如硅的材料填充，其上不生長石墨烯。第一石墨烯330可以由單原子層或幾個原子的層形成，因此第一石墨烯 330的厚度可以被忽略。
參照圖10和圖11D，第二石墨烯350可以形成在第二 Ge層340上。第二石墨烯 350具有與第一 Ge層340基本相同的圖案。以相同的方式，第三Ge層360 (參照圖10)和第三石墨烯370(參照圖10)也可以形成在其上形成有第二石墨烯350的層上。具有以上如圖10所示的結(jié)構(gòu)的石墨烯結(jié)構(gòu)300具有堆疊結(jié)構(gòu)，其中第一至第三石墨烯330、350和370可以堆疊。第一至第三石墨烯330、350和370的每個的圖案可以用于實現(xiàn)預(yù)定或給定電子器件的功能或布線電路。在示例實施例中，具有三層石墨烯的石墨烯結(jié)構(gòu)300可以作為示例來描述。然而， 根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)300可以具有多層石墨烯結(jié)構(gòu)，其中兩層的石墨烯或超過四層的石墨烯可以被堆疊。圖12是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)400的透視圖。根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)400可以具有堆疊柱，其中第一至第四支撐層420、440、460和480以及第一至第四石墨烯430、450、470和490可以交替堆疊在基板410上。堆疊柱可以是參照圖4描述的石墨烯結(jié)構(gòu)200或參照圖7描述的石墨烯結(jié)構(gòu)203的修改版本。也就是，根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)400可以為通過蝕刻石墨烯結(jié)構(gòu)200和203的除了預(yù)定或給定區(qū)域之外的所有區(qū)域而形成的結(jié)構(gòu)。第一至第四石墨烯430、450、470和490的邊緣430a、450a、470a和490a以及基板的邊緣410a可以分別暴露到外部環(huán)境。用于形成第一至第四支撐層420、440、460和480 的材料沒有被特別限定。例如，如在參照圖4描述的石墨烯結(jié)構(gòu)200中一祥，第一至第四支撐層420,440,460和480可以由Ge形成?？商娲?，如在參照圖7描述的石墨烯結(jié)構(gòu)203中一祥，第一至第四支撐層420、 440、460和480可以由非Ge材料形成。第一至第四石墨烯430、450、470和490的暴露到外部環(huán)境的邊緣430a、450a、470a和490a以及基板暴露到外部環(huán)境的邊緣410a可以根據(jù)由于蝕刻引起的切除形狀而具有扶手椅形狀或Z字形。邊緣410a、430a、450a、470a和490a 可以是氫封端(H封端)的或者用預(yù)定或給定的功能團處理。圖13是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)500的示意性剖面透視圖。石墨烯結(jié)構(gòu)500 可以是參照圖4描述的石墨烯結(jié)構(gòu)200或參照圖7描述的石墨烯結(jié)構(gòu)203的修改版本。也就是，根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)500可以具有多孔的多層石墨烯結(jié)構(gòu)，其中多個孔580可以形成在多層石墨烯中，該多層石墨烯通過在基板510上交替堆疊第一至第三支撐層520、540和560以及第一至第三石墨烯530、550和570而形成。在圖13中，孔580具有圓形。然而，根據(jù)示例實施例的孔580的形狀不限于此。 也就是，孔580可以具有多邊形或任何其他形狀。功能材料可以注入到孔580中。例如，當孔580具有在從幾nm至幾十nm的范圍內(nèi)的尺寸吋，例如量子點磷光體的材料可以注入到孔580中。圖14是根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)600的示意性透視圖。圖15A至圖15D是示出形成圖14的石墨烯結(jié)構(gòu)600的示例方法的截面圖。參照圖15A，多層石墨烯可以包括交替堆疊在基板610上的第一至第三Ge層620、640和660以及第一至第三石墨烯630、650 和670。多層石墨烯可以是參照圖4描述的石墨烯結(jié)構(gòu)200。參照圖15B，多層石墨烯可以被蝕刻成預(yù)定或給定圖案。第一至第三Ge層620、640 和660的每個的側(cè)表面以及第一至第三石墨烯630、650和670的每個的邊緣可以在被蝕刻區(qū)域680的側(cè)表面上被暴露到外部環(huán)境。參照圖15C，側(cè)面石墨烯690可以形成在被暴露的第一至第三Ge層620、640和660 的每個的側(cè)表面上。側(cè)面石墨烯690可以連接到第一至第三石墨烯630、650和670的每個的被暴露在蝕刻區(qū)域680中的邊緣。因此，可以實現(xiàn)由第一至第三石墨烯630、650和670 的側(cè)表面和側(cè)面石墨烯690形成的3D形狀。如圖15D所示，第一至第三Ge層620、640和660可以從所得產(chǎn)物去除。盡管沒有示出，但是側(cè)面石墨烯690可以不形成在第一至第三Ge層620、640和660的側(cè)表面的部分上。當?shù)谝恢恋谌鼼e層620、640和660被如上所述去除吋，可以實現(xiàn)僅由第一至第三石墨烯630、650和670以及側(cè)面石墨烯690形成的3D結(jié)構(gòu)。當基板610被去除吋，可以實現(xiàn)由純石墨烯形成的3D結(jié)構(gòu)。上述結(jié)構(gòu)是通過石墨烯實現(xiàn)的示例3D形狀。此外，各種3D形狀可以通過限制其上形成側(cè)面石墨烯690的區(qū)域、通過將第一至第三石墨烯630、650和670的每個形成為預(yù)定或給定圖案或者通過采用示例實施例中描述的方法來實現(xiàn)。具有3D形狀的石墨烯可以用于實現(xiàn)3D器件，例如電路、電子器件、光學器件或能量器件，此外，可以用于實現(xiàn)納米尺寸的機械結(jié)構(gòu)。在示例實施例中，具有三層石墨烯的石墨烯結(jié)構(gòu)600僅是示例。根據(jù)示例實施例的石墨烯結(jié)構(gòu)600可以具有多層石墨烯結(jié)構(gòu)，其中兩層石墨烯或超過四層的石墨烯可以被堆疊。盡管已經(jīng)參照示例實施例具體示出和描述了石墨烯結(jié)構(gòu)和形成該石墨烯結(jié)構(gòu)的方法，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以在其中進行形式和細節(jié)上的各種變化，而不背離權(quán)利要求書的精神和范圍。本申請要求于2010年12月7日在韓國知識產(chǎn)權(quán)局(KIPO)提交的韓國專利申請 No. 10-2010-0124233的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.ー種石墨烯結(jié)構(gòu)，包括 模板，具有三維形狀；和石墨烯，構(gòu)造為覆蓋所述模板的外周邊的至少一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，其中所述模板具有桿形，所述石墨烯構(gòu)造為圍繞所述模板的外周邊。
3.如權(quán)利要求2所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，其中所述模板是納米線和納米棒中的至少ー種。
4.如權(quán)利要求1所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，其中所述模板由鍺形成或者包括在其表面上的鍺涂広。
5.ー種石墨烯結(jié)構(gòu)，包括形成為中空管的石墨烯。
6.ー種石墨烯結(jié)構(gòu)，包括 第一支撐層；第一石墨烯，在所述第一支撐層上； 第二支撐層，在所述第一石墨烯上；以及第二石墨烯，在所述第二支撐層上。
7.如權(quán)利要求6所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二支撐層由鍺形成或者包括在其上表面上的鍺涂層。
8.如權(quán)利要求6所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，其中所述第一石墨烯和所述第二石墨烯中的至少一個被圖案化。
9.如權(quán)利要求6所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，還包括 第三支撐層，在所述第二石墨烯上；以及第三石墨烯，在所述第三支撐層上以形成多層石墨烯結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，其中所述多層石墨烯結(jié)構(gòu)包括在其中的多個孔。
11.ー種石墨烯結(jié)構(gòu)，包括第一石墨烯；第二石墨烯，在垂直方向上與所述第一石墨烯的表面分離；以及第三石墨烯，構(gòu)造為交叉所述第一石墨烯和所述第二石墨烯并支撐所述第一石墨烯和所述第二石墨烯。
12.—種形成石墨烯結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括將三維模板置于反應(yīng)室中，該模板包括由第一鍺層形成的至少ー表面；以及通過供應(yīng)含碳氣體到所述反應(yīng)室中而沿著所述第一鍺層的外周邊生長第一石墨烯。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述模板具有桿形。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述模板是第一鍺層，并且所述模板在形成所述第一石墨烯之后被去除。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述模板由非鍺材料形成，所述第一鍺層形成在所述模板的至少一部分上。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一鍺層在形成所述第一石墨烯之后被去除。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一鍺層根據(jù)圖案而形成，所述第一石墨烯沿著所述第一鍺層的所述圖案生長。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括 在所述第一石墨烯上形成第二鍺層；以及在所述第二鍺層上形成第二石墨烯。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中在所述第一石墨烯上形成所述第二鍺層包括 使用非鍺材料在所述第一石墨烯上形成非鍺層；以及在所述非鍺層上形成第二鍺層。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括通過在所述第二石墨烯上重復(fù)堆疊另ー鍺層和另一石墨烯而形成多層石墨烯。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括 在所述多層石墨烯中形成多個孔；以及用功能材料填充所述多個孔。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括根據(jù)圖案來蝕刻所述第一石墨烯和所述第二石墨烯。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第一石墨烯和所述第二石墨烯的通過蝕刻而暴露的邊緣是氫封端的或用功能團處理。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括在所述第一石墨烯和所述第二石墨烯的通過蝕刻暴露的側(cè)表面上形成第三石墨烯。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述第一鍺層和所述第二鍺層在形成所述第三石墨烯之后被去除。
26.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一石墨烯是單原子層、雙原子層和三原子層中的至少ー種。
全文摘要
本發(fā)明提供了石墨烯結(jié)構(gòu)及其形成方法。該石墨烯結(jié)構(gòu)可以包括以三維(3D)形狀形成的石墨烯，例如柱形、堆疊結(jié)構(gòu)和三維連接的結(jié)構(gòu)。石墨烯結(jié)構(gòu)可以通過使用鍺(Ge)形成。
文檔編號C01B31/04GK102557017SQ201110389290
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者崔秉龍, 李銀京, 黃同穆 申請人:三星電子株式會社