包括N-掺杂石墨烯的玻璃制品的制作方法

本公开涉及在至少一个表面上包括n-掺杂石墨烯的玻璃制品及其制备方法。

背景技术：

1、在电子领域，原始石墨烯不存在带隙，这对关闭场效应晶体管(field-effecttransistor,fet)装置带来了挑战。这是由于开状态和关状态电流间的低比率(例如低于100)(ion/ioff)；例如，在较低泄漏功率下装置的较高性能；将基于石墨烯的fet的100比率与硅的大约104-107的比率进行比较。在光学器件(optics)中，已知石墨烯在其中性点附近(例如，几乎没有自然掺杂)不支持任何显著的等离子激元。但是石墨烯可以通过使用静电场改变掺杂(费米能级)来支持显著的等离子激元，而这具有受到施加场的层的介电击穿的限制的限制条件。

2、石墨烯可以在金属膜如铜或镍上生长。在生长之后，其被转移到所选的基底上，例如用于器件制造的siox/si、高性能熔融氧化硅(high performance fused silica,hpfs)或玻璃。当转移至基底上时，石墨烯由于其与表面的相互作用而变得掺杂。例如，在hpfs上，石墨烯变成p-掺杂的，具有1012cm-2量级的载流子密度。在石墨烯转移至玻璃的情况下，该效应已于文献中被广泛证明，该过程与湿转移方法后留下的pmma残余物一起诱导石墨烯的p-掺杂，因为玻璃由于表面上的羟基而具有潜在的负电荷。因此，在适当处理的表面上转移之后的掺杂是开放带隙和调整费米能级的手段。这是例如，氧化物表面上的氨和铝扩散的情况，其在氧化物层上诱导正电荷(nsio+)和负电荷(alsio-)。范德堡(van der pauw)测量表明，通过操纵表面电荷，石墨烯中的电荷中性或狄拉克电压(dirac voltage)可以从标准sio2上的约-60v(n＝-8.62×1012cm–2)变为负掺杂sio2层上的约13v(n＝2.17×1012cm–2)。

技术实现思路

1、如本文所述，通过将石墨烯(例如，原始石墨烯)置于离子交换玻璃表面上，已经开发了具有预料不到的高的载流子密度(例如，约1013cm-2或更高的量级)的n掺杂石墨烯。此前从未观察到仅由与下部基底的相互作用所致的石墨烯中的如此高的n掺杂水平。

2、玻璃合成过程中可能引入杂质，例如在玻璃合成过程中伴随玻璃性质的改变而引入。例如，在其合成期间改性剂可被引入玻璃中，na和ca原子是典型添加的那些(例如，分别来自na2o和cao)。

3、石英和熔融二氧化硅中改性剂的缺失使得每个硅与四个氧之间存在强共价键，提供极其稳定的结构。相反，改性剂(例如钠钙玻璃中的na+)的存在导致弱离子键，这允许离子在远低于玻璃化转变温度的温度下迁移。在玻璃合成过程中引入na促进一些si-o-si桥的断裂，其在玻璃网络中留下非桥接氧。因此，这些氧将成为与钠阳离子(na+)相对应的阴离子(o-)，其在这些位置掺入。

4、在离子交换玻璃的情况下，可以通过离子交换技术将大离子引入玻璃表面中。在该过程中，玻璃被置于例如约400℃的熔融盐的热浴中，在该温度下，na离子具有足够的迁移率以离开玻璃并与来自盐浴的k离子交换。这导致离子交换玻璃中具有高压缩应力的表面层，从而提供其强度。

5、如本文所述，发现离子交换玻璃自然地改变石墨烯掺杂而无需附加的后处理(例如，在施加的电势下的热极化)。在室温下进行的薄层电阻和霍尔测量证明了，与离子交换玻璃直接接触放置的石墨烯的高掺杂水平导致石墨烯具有预料不到的高载流子密度(例如，约1013cm-2或更高的量级)。发现以离子交换玻璃获得的负值比离子交换前天然二氧化硅或玻璃上的正值大几个数量级。

技术特征：

1.一种玻璃制品，其包括：

2.如权利要求1所述的玻璃制品，其中所述负掺杂石墨烯层具有约200ω/sq至约500ω/sq的薄层电阻。

3.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃制品，其中所述负掺杂石墨烯层具有约80cm2/v·s至约800cm2/v·s的电子迁移率。

4.如权利要求1-3中任一项所述的玻璃制品，其中中间层被定位在所述负掺杂石墨烯层第一主表面的至少一部分和所述离子交换玻璃层第一主表面或所述离子交换玻璃层第二主表面中的至少一个的至少一部分之间。

5.如权利要求1-3中任一项所述的玻璃制品，其中所述负掺杂石墨烯层第一主表面与所述离子交换玻璃层第一主表面或所述离子交换玻璃层第二主表面中的至少一个的至少一部分直接接触。

6.如权利要求1-5中任一项所述的玻璃制品，其中所述负掺杂石墨烯层的负掺杂是由存在于所述离子交换玻璃层中的带正电的离子诱导的。

7.如权利要求1-6中任一项所述的玻璃制品，其中所述负掺杂石墨烯层具有约0.1nm至约1nm的厚度。

8.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃制品，其进一步包括封装层，所述封装层基本上封装所述负掺杂石墨烯层。

9.如权利要求8所述的玻璃制品，其中所述封装层包括氮化硅、氮化铝、氮化锆、氮化钛、氮化铪、氮化钽、氧化硅、氧化铝或氧化钛。

10.一种包括如权利要求1-9中任一项所述的玻璃制品的装置，其进一步包括电耦合到第一迹线的第一触点和电耦合到第二迹线的第二触点，所述第一迹线和所述第二迹线经由所述负掺杂石墨烯层电耦合，其中所述第一触点、所述第一迹线、所述第二触点和所述第二迹线各自被定位在所述离子交换玻璃层上。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述装置是电子装置、光学装置或光电装置。

12.一种制造玻璃制品的方法，其包括：

13.如权利要求12所述的方法，其中所述负掺杂石墨烯层具有约1013cm-2至约1015cm-2的载流子密度。

14.如权利要求12-13中任一项所述的方法，其中所述负掺杂石墨烯层具有约200ω/sq至约500ω/sq的薄层电阻。

15.如权利要求12-14中任一项所述的方法，其中所述负掺杂石墨烯层具有约80cm2/v·s至约800cm2/v·s的电子迁移率。

16.如权利要求12-15中任一项所述的方法，其进一步包括将中间层定位在所述负掺杂石墨烯层的负掺杂石墨烯层第一主表面的至少一部分和所述离子交换玻璃层第一主表面或所述离子交换玻璃层第二主表面中的至少一个的至少一部分之间。

17.如权利要求12-15中任一项所述的方法，其中所述负掺杂石墨烯层的负掺杂石墨烯层第一主表面与所述离子交换玻璃层第一主表面或所述离子交换玻璃层第二主表面中的至少一个的至少一部分直接接触。

18.如权利要求12-17中任一项所述的方法，其中存在于所述离子交换玻璃层中的带正电的离子诱导所述负掺杂石墨烯层的负掺杂。

19.如权利要求12-18中任一项所述的方法，其中所述负掺杂石墨烯层具有约0.1nm至约1nm的厚度。

20.如权利要求12-19中任一项所述的方法，其进一步包括定位基本上封装所述负掺杂石墨烯层的封装层。

技术总结本文提供了一种玻璃制品，其包括：包括第一主表面和第二主表面的离子交换玻璃层；以及至少一个具有第一主表面和第二主表面的负掺杂石墨烯层；所述负掺杂石墨烯层第一主表面定位为与离子交换玻璃层的第一主表面和第二主表面中的至少一个的至少一部分相对，所述负掺杂石墨烯层具有至少约10<supgt;13</supgt;cm<supgt;‑2</supgt;的载流子密度。本文还提供了包括玻璃制品的装置和制造玻璃制品的方法。技术研发人员：I·巴塔查亚,M·马尔切纳·马丁-弗朗西斯,P·玛祖德,V·普鲁内里受保护的技术使用者：康宁股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29