CN101872120B

CN101872120B - 一种图形化石墨烯的制备方法

Info

Publication number: CN101872120B
Application number: CN2010102153554A
Authority: CN
Inventors: 叶堉; 戴伦; 代宇; 秦国刚
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2030-07-01
Also published as: CN101872120A

Abstract

本发明公开了一种图形化石墨烯的制备方法，该方法通过紫外光刻或电子束光刻等微电子工艺在器件衬底上图形化光刻胶，在需要石墨烯的地方开出窗口。通过石墨烯转移方法，将大面积石墨烯转移到图形化的光刻胶上，通过丙酮浸泡的方法将光刻胶连同其上的石墨烯剥离掉，得到器件所需的图形化的石墨烯。该方法相比现有技术，具有精确定位的优点，且无需刻蚀，不需要制作压印模版，从而成本较低。本发明不仅实现了精确定位地图形化石墨烯，而且很容易实现大面积器件集成。此外，利用曝光、剥离的方法，避免了氧等离子体刻蚀的步骤，从而避免了辐照损伤带来的器件性能的降低。

Description

一种图形化石墨烯的制备方法

技术领域

本发明属于石墨烯器件制备技术领域，具体涉及一种精确定位的图形化石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子蜂窝状排列构成的二维晶体。由于其量子输运性质、高的电导率、迁移率、透过率，石墨烯及其相关器件已经成为物理、化学、生物以及材料科学领域的一个研究热点。迄今为止，人们已经制备出多种以石墨烯为基本功能单元的器件，包括场效应晶体管、太阳能电池、纳米发电机、传感器等。最近，人们在Ni或Cu催化薄膜上采用化学气相沉积方法成功制备了大面积高质量的石墨烯，推动了石墨烯在器件方面的应用。

基于石墨烯的微纳电子器件，通常需要精确定位图形化石墨烯，目前采用的现有技术有：1)先图形化催化剂，生长得到图形化的石墨烯再转移。这种方法不能将图形化的石墨烯精确定位到器件衬底上。2)先转移大面积的石墨烯到器件衬底上，再通过光刻、刻蚀的方法，最终刻蚀出所需要的图形化石墨烯。这种方法中的应用到了氧等离子体刻蚀，就不可避免的会对石墨烯以及器件的其他部分造成辐照损伤。3)利用模板压印的方法，在需要石墨烯的地方压印上石墨烯。这种方法对不同图形的石墨烯，要求制作不同的模板，且模板制造工艺复杂，成本太高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的图形石墨烯的方法，无需刻蚀、压印，即可精确定位。

本发明提供的图形化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

A)将光刻胶或PMMA旋涂在器件衬底上；

B)在需要石墨烯的位置上制出相应的图形窗口，窗口之外的表面被光刻胶或PMMA覆盖；

C)将相互黏附的石墨烯和PMMA层转移到器件衬底上，并使石墨烯与窗口处的衬底部分紧密接触，且经过适当的热处理；

D)将上述衬底浸泡在丙酮溶液中，使光刻胶或PMMA，以及光刻胶或PMMA上的石墨烯和PMMA层剥离，即可在器件衬底上获得图形化的石墨烯。

步骤C)中，相互黏附的石墨烯和PMMA层的制备步骤包括：

1)在Ni或Cu催化薄膜上采用化学气相沉积方法制备石墨烯；

2)旋涂一层PMMA；

3)将带有PMMA的Ni或Cu催化薄膜浸泡在FeCl₃或(NH₄)₂S₂O₈溶液中，腐蚀掉Ni或Cu薄膜，使石墨烯和PMMA层漂浮在溶液中，从而得到相互黏附的石墨烯和PMMA层。

步骤B)中，通过紫外光刻或电子束光刻、显影、定影等工艺在器件衬底上开出相应的图形窗口。

步骤C)中，石墨烯和PMMA转移到器件衬底后的热处理，温度为60-120℃，时间为30分钟。

本发明通过紫外光刻(或电子束光刻)等微加工工艺，在器件衬底上图形化光刻胶(或PMMA)，在需要石墨烯的地方开出窗口。通过石墨烯转移方法，将大面积石墨烯转移到图形化的光刻胶(或PMMA)上，经过适当的热处理后，通过丙酮浸泡的方法将光刻胶(或PMMA)连同其上的石墨烯剥离掉，得到器件所需的图形化的石墨烯。该方法相比目前现存的石墨烯图形化后再转移的方法具有精确定位的优点；相比石墨烯转移后再图形化的方法具有无需刻蚀的优点；相比于压印图形化石墨烯的方法，具有不需要制作压印模版，从而成本较低的优点。本发明所采用的方法，不仅实现了精确定位地图形化石墨烯，而且很容易实现大面积器件集成。此外，利用曝光、剥离的方法避免了氧等离子体刻蚀的步骤，氧等离子体刻蚀会对石墨烯以及器件的其它组成部分会带来辐照损伤，从而降低器件性能。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2采用本发明制得的图形化石墨烯的场发射扫描电镜照片，其中(a)为正三角形(b)为正六边形(c)为字母B；

图3采用本发明制得的图形化石墨烯的拉曼光谱。

具体实施方式

本发明采用光刻、热处理、剥离等传统的微加工工艺，结合石墨烯转移常规方法、在器件衬底所需要的地方制备图形化的石墨烯。这种免刻蚀的石墨烯图形化新方法，在以石墨烯为功能单元的新型器件方面有广泛的应用前景。主要实验过程如图1所示，步骤如下：

1、在Ni或Cu催化薄膜上采用化学气相沉积方法制备大面积高质量石墨烯。

2、在生长有石墨烯的衬底上旋涂一层PMMA，例如：2000rpm，2分钟。

3、将带有PMMA和石墨烯的衬底浸泡在1M的FeCl₃溶液中，例如：6小时。腐蚀掉Ni层，使石墨烯和PMMA层漂浮在溶液中。

4、将光刻胶(或PMMA)旋涂到目标器件衬底上。

5、通过紫外光刻(或电子束光刻)、显影、定影等工艺在衬底上需要石墨烯的位置开出相应的图形窗口。

6、将漂浮在FeCl₃溶液中的石墨烯/PMMA层转移到高纯水溶液中，漂洗掉残留的FeCl₃溶液。将腐蚀掉漂浮在高纯水中的石墨烯/PMMA层转移到带有光刻胶(或PMMA)图形的器件衬底上。通过适当的热处理：例如：90℃，30分钟。使石墨烯与不被光刻胶(或PMMA)覆盖的(即：窗口处)衬底部分紧密接触。

7、将上述衬底浸泡在丙酮中，例如：10分钟，剥离光刻胶(或PMMA)上的石墨烯/PMMA层。最终得到器件所需的图形化的石墨烯。

图2是通过本发明得到的图形化的石墨烯的场发射扫描电镜照片。本实施方案可分别图形化得到了正方形、正三角形、正六边形、微米带阵列、字母A、字母B、字母C、字母D等石墨烯图形。图中的标尺为20μm。

图3是利用本发明得到的图形化石墨烯的拉曼光谱。拉曼谱有两个主峰构成：G峰和2D峰，它们的峰值比(I_2D∶I_G)约为2。此外，与石墨烯缺陷相关的D峰较弱。说明图形化的石墨烯为高质量单层石墨烯。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种图形化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

A)将光刻胶或PMMA旋涂在器件衬底上；

C)将相互黏附的石墨烯和PMMA层转移到器件衬底上，并使石墨烯与窗口处的衬底部分紧密接触，且进行热处理；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C)中，相互黏附的石墨烯和PMMA层的制备步骤包括：

1)在Ni或Cu催化薄膜上制备石墨烯；

2)旋涂一层PMMA；

3)将带有PMMA的Ni或Cu催化薄膜浸泡在腐蚀溶液中，腐蚀掉Ni或Cu薄膜，使石墨烯和PMMA层漂浮在溶液中，从而得到相互黏附的石墨烯和PMMA层。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B)中，通过紫外光刻或电子束光刻、显影、定影工艺在器件衬底上开出相应的图形窗口。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C)中，石墨烯和PMMA转移到器件衬底后的热处理，温度为60-120℃，时间为30分钟。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中采用化学气相沉积方法制备石墨烯。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中腐蚀液为FeCl₃溶液或(NH₄)₂S₂O₈溶液。