CN102082159A

CN102082159A - 一种基于石墨烯的纳米尺度点光源及其制备方法

Info

Publication number: CN102082159A
Application number: CN 201010522990
Authority: CN
Inventors: 王卓; 邓斯天; 赵华波; 魏芹芹; 魏子钧; 傅云义; 黄如; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN102082159B

Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯的纳米尺度点光源及其制备方法，属于纳米尺度的发光装置。该纳米尺度点光源是在大气、室温条件下利用石墨烯薄膜和金属电极电连接实现的，具体是：石墨烯薄膜与金属电极呈十字交叉，或石墨烯薄膜搭接在两个金属电极上，形成电学接触，石墨烯薄膜和金属电极接触处形成石墨烯–金属结，在石墨烯–金属结上施加偏置电压，石墨烯–金属结上构成纳米尺度的单点或多点发光光源。本发明的点光源可以在室温、大气环境下稳定工作，无需通常光源所需的真空装置。本发明可应用于微纳光电集成系统、纳米集成光路、高分辨显示、量子信息技术。同时利用石墨烯薄膜柔软特性，可在柔软衬底上实现光电器件和电路、显示器或集成系统。

Description

一种基于石墨烯的纳米尺度点光源及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米尺度的发光器件，具体涉及一种基于石墨烯的纳米尺度点光源及其制备方法。

背景技术

随着光电信息技术、微电子技术和纳米技术的发展，微小尺寸点光源的应用前景愈加广泛。同时由于微加工技术的发展，也为基于纳米材料的点光源的制造提供了可能性。近年来，对微纳米尺度光源的制备与应用尤为关注，微小光源在纳米集成光路、高清晰显示、量子信息技术等领域具有重要的应用价值 (Kazunori Hoshino, et al. IEEE J Sel Top Quant, 15, 1393 (2009); Antonio Qualtieri, et al. Microelectron Eng, 86, 1127 (2009); Zhiliang Yuan, et al. Science, 295, 102 (2002))。目前，微纳米尺度光源的研究主要集中在基于有机发光二极管、纳米线结构或碳纳米管结构等方向。纳米尺度的有机发光二极管具有较低的制造成本，较低的工艺温度，技术灵活，在显示器制造领域有重要的应用 (KTrivedi, et al. Nanotechnology, 20, 405204 (2009)) 。纳米线结构可实现可控掺杂，器件尺寸易于控制，且可以通过调节掺杂组份来调控带宽及发光波长，可应用于纳米电子器件和纳米光学器件领域 (Fang Qian, et al. Nano Lett, 5, 2287 (2005))。最近几年开发了基于碳纳米管的纳米光源 (J. A. Misewich, et al. Science, 300, 783 (2003))，针对现有的碳基纳米材料，研究较多的一种是由焦耳发热引发黑体辐射所导致的发光 (Dingshan Yu and Liming Dai, Appl Phys Lett 96, 143107 (2010))。在真空条件下对碳纳米管束或者大面积石墨烯样品通电，可以观察到黑体辐射所导致的电致发光现象。这类发光样品的光源尺寸一般相对较大(厘米尺度量级)，可作为代替钨的新一代的照明器件。黑体辐射所致的发光通常需要真空条件，否则由于碳纳米材料黑体辐射发光温度通常可达1000开尔文以上，在大气环境下样品会很快被烧毁。此外，黑体辐射的发光强度随气压升高而显著降低，此将限制该种发光结构应用于常压大气条件下。

另外一类重要的发光是由载流子的复合、衰变或跃迁所致的发光，与黑体辐射所发出光谱不同，其发光光谱线通常有一个或两个较窄的峰。不同能级载流子的衰变所辐射的能量不同，对应的峰位也不相同，此类发光器件通常需在真空下才能正常工作。发光机理通常有: (1)半导体性激子发光(Jia Chen, et al. Science, 310, 1171 (2005)); (2)双极性样品中电子??空穴的注入和复合(Phaedon Avouris, et al. Phys Rev Lett, 93, 076803 (2004))；(3)热效应导致载流子的跃迁(Mann, D, et al. Nature Nano. 2, 33 (2007))等。

发明内容

本发明实现一种基于石墨烯薄膜材料的纳米尺度点光源结构。

本发明的纳米尺度点光源是在大气、室温条件下利用石墨烯薄膜和金属电极电学连接实现的，具体是：石墨烯薄膜与金属电极呈十字交叉，如图1所示；或石墨烯薄膜搭接在两个金属电极之上，如图2所示；使石墨烯薄膜和金属电极之间电学接触，并在接触处形成石墨烯－金属结，在石墨烯??金属结上或两金属电极之间施加偏置电压，石墨烯－金属结上构成纳米尺度的单点或多点发光光源。

所述偏置电压为从0至15 V。

所述石墨烯薄膜在100层以下。

一种纳米尺度点光源的制备方法，其步骤包括：

(1) 合成石墨烯薄膜；

(2) 将石墨烯薄膜转移至聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上；

(3) 将PDMS或PMMA上的石墨烯转移至图形化的金属电极上；

(4) 石墨烯薄膜与金属电极呈十字交叉，在石墨烯薄膜和金属电极之间施加偏置电压；或石墨烯薄膜搭接在两个金属电极上，在两个金属电极之间施加偏置电压。

本发明的优点：

1. 本发明的点光源尺寸为纳米量级，可以应用于微纳光电集成系统、纳米集成光路、高分辨显示、量子信息技术；

2. 利用石墨烯薄膜柔软特性，可在柔软衬底上实现光电器件和电路、显示器或集成系统。

3. 本发明的点光源可以在室温、大气条件下稳定工作，不需要通常光源所需的真空装置，可简化工艺，节省成本，且有利于缩小光源尺寸，可在单一芯片或晶圆上实现超高密度的点光源集成。

4. 本发明的点光源制作工艺简单，免去了薄膜材料图形化的繁琐工艺，采用压印或其它简单的转移方法即可实现。

5. 本发明的点光源制备工艺与硅半导体工艺兼容，有利于点光源的集成，可应用于集成电路和集成光路系统。

6. 点光源器件结构简单，只需使金属电极和石墨烯薄膜接触即可，可制成各种不同的结构，适应各种特需系统的应用。

附图说明

图1. 十字交叉结构的发光器件，其中1为石墨烯，2为金属电极；

图2. 两端金属电极结构的发光器件，其中1为石墨烯，2为金属电极；

图3. 石墨烯点光源的制备过程示意图，其中(a)为石墨烯转移至金属电极表面；(b) 石墨烯和PDMS或PMMA的复合物覆盖在金属电极图形表面；(c) 撕去PDMS或PMMA薄膜，石墨烯粘贴在电极图形表面或搭接在相邻的一对电极上；(d) 石墨烯粘贴在电极图形表面或搭接在相邻的一对电极上；图中1为石墨烯，2为金属电极，3为PDMS膜，4为绝缘介质(SiO₂)，5为Si衬底；

图4. 在5000秒内持续施加偏置电压下的点光源发光照片；

图5. 光源多点发光的照片；

图6. 石墨烯点光源的光谱特征，其中(a)器件发光光谱，以及发光光谱的包含两个高斯曲线的高斯拟合结果；(b)不同电压偏置条件下器件发光光谱；(c)光谱高斯峰峰位和偏置电流关系。两条曲线分别对两个高斯曲线；(d)光谱高斯峰半高宽和偏置电流关系，两条曲线分别对应两个高斯曲线；(e)光谱强度和电流对应关系，主图的两条曲线分别对应两个高斯曲线，插图对应完整的发光光谱；

图7. 两端器件连续扫描电压时的光源发光照片和I_d与V_ds之间的曲线，两电极之间以0.016V/s的速度从0至7V施加扫描电压；

图8. 点光源发光强度随距离的变化曲线，其中0为光源位置，1、2、3和1’、3’分别为光源两侧测试光强度的不同位置。

具体实施方式

采用100层以下的石墨烯作为薄膜材料， Au作为金属电极材料，制备图2所示器件结构，具体制备过程和测试步骤为：

(a)采用化学气相沉积(CVD)的方法，以甲烷为碳源。首先在H₂、Ar流动的混合气体中将覆盖有200纳米镍薄膜的Si基底加热至1000^oC，保温20分钟，然后通入甲烷(CH₄)_,CH₄会分解成C和H，C溶入镍，反应一定时间(例如10分钟)后快速冷却至室温，则在Ni表面析出石墨烯；碳源除甲烷外，还可为乙烯、乙炔、酒精等；Ni的厚度可在100~600纳米；除Ni外还可以是Cu，Co等金属；金属层也可为箔片(此情况不需Si衬底，箔片可单独使用)；

(b)在石墨烯表面覆盖聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，然后将整块衬底浸入FeCl₃或Fe(NO)₃溶液中，将金属Ni，Cu或Co等刻蚀掉，待用去离子水清洗后将石墨烯转移至PDMS或PMMA上；FeCl₃的浓度为1mol/L，Fe(NO)₃的浓度为0.05g/mL。

将石墨烯转移至电极表面的技术并限于上述演示的一种，只要满足如下两条件的方法都是可以的：(i) 可使石墨烯转移至金属电极表面，石墨烯和金属电极形成交叉结构；(ii)可使石墨烯搭接在相邻电极之间形成两端器件的。

(c)将石墨烯和PDMS或PMMA的复合物覆盖在金属电极图形表面，石墨烯这一面紧贴金属电极图形，并均匀用力使PDMS或PMMA贴紧金属电极图形表面。然后撕去PDMS或PMMA薄膜，石墨烯粘贴在电极图形表面或搭接在相邻的一对电极上；该转移过程如图3所示。

金属电极图形通过光刻、金属淀积和剥离获得；相邻电极的距离<100 μm, 电极尺寸>100 nm², 电极形状可为方形、矩形；厚度>10 nm。

图形化的金属电极制作在Si衬底上，在Si表面覆盖SiO₂，SiO₂厚度> 50 nm。

石墨烯搭接在两金属电极之间，在两金属电极之间施加偏置电压，并用探针台内置的CCD监测发光；设置合适的偏置电压即可获得在室温、大气环境稳定工作的纳米尺度的点光源。该点光源包含如下特征：

(1) 点光源的稳定性：在大气室温条件下，对器件施加恒定偏置电压(2.3V)，监控5000秒(约80分钟)，结果发现，在室温、大气环境下本发明的点光源可稳定持续发光5000秒以上。如图4所示，图中主图为电压-时间(V_ds-Time)关系和电流-时间(I_d-Time)关系，光源工作的电压、电流在器件发光过程中十分稳定。在V_ds-Time曲线上方的六幅插图为不同对应时刻的样品的光学照片和发光照片的叠图，可见石墨烯点光源在常温大气条件下的发光强度至少在5000秒内是稳定的，表明本发明的基于石墨烯的纳米尺度点光源将具有实际应用价值。中间插图为器件光学照片，一不规则的石墨烯薄膜搭接在左右电极上，虚线示意沟道位置(沟道尺寸为5μm)。

(2) 除单点发光外，可多点发光：在两金属电极之间施加偏置电压，当偏置电压<3.5V,呈单点发光，当偏置电压增加至3.5 V以上，出现两点或多点发光，即可在石墨烯－金属结上实现多点发光光源，如图5所示，最左侧图片为器件光学照片，一不规则的石墨烯薄膜搭接在左右电极上，沟道尺寸为5μm。

(3)光谱特征：图6 a为典型的发光光谱，光谱曲线的拟合结果表明，光谱包含两个位于近红外区的高斯峰，此在光电工程、显示器制造等领域具有重要的应用价值。图6b为不同偏置电压条件下测得的发光光谱。图6c~e分别显示了偏置电流对于光谱峰位、峰宽和光强具有调控作用。

(4)光源的位置：若对相同结构器件的两电极之间，以一定速度从0至7V的连续施加偏置电压，并同时观察发光现象，如图7所示。图中曲线为电流-偏置电压关系，左上方插图为样品图，其它七幅图为不同偏置电压下所对应发光图与样品叠图，可见点光源位置有如下特点：(a)发光位置均在金属与石墨烯的接触界面，即金属–石墨烯结处，且光源的位置与偏置电压有对应关系：低偏压时在金属边缘处发光，此处覆盖有石墨烯；而偏置电压较高时，在石墨烯的边缘或表面的某一点；(b)在不同的偏置电压下，会在不同的部位发光；也可多点同时发光；(c)发光点可在源端、漏端或源端和漏端电极上同时发光；

(5)光源的辐照范围：测量了光强随距离的衰减关系，表明光源辐照范围在微米量级。如图8所示，图a中标出了测试光谱的发光点的位置，从CCD中观察到的发光点为0点，其它测试点分布均在发光点的两侧。图b为各点测得的发光光谱，图c为发光强度-距离曲线，从图8可见，光强随距离的增加而衰减，辐照范围在微米量级。

Claims

1.一种纳米尺度点光源，其特征在于，在大气、室温环境下，利用石墨烯薄膜和金属电极电连接实现的，具体为：石墨烯薄膜与金属电极呈十字交叉，或石墨烯薄膜搭接在两个金属电极之上，使石墨烯薄膜和金属电极接触，并在接触处形成石墨烯－金属结，在石墨烯－金属结上或两金属电极之间施加偏置电压，石墨烯－金属结上构成纳米尺度的单点或多点发光光源。

2.如权利要求1所述的纳米尺度点光源，其特征在于，所述偏置电压从0至15 V。

3.如权利要求1所述的纳米尺度点光源，其特征在于，所述石墨烯薄膜小于100层。

4.一种纳米尺度点光源的制备方法，其步骤包括：

(1) 制备石墨烯薄膜；

(3) 将PDMS或PMMA上的石墨烯转移至图形化的金属电极上；

(4) 石墨烯薄膜与金属电极呈十字交叉，在石墨烯薄膜和金属电极上施加偏置电压，或石墨烯薄膜搭接在两个金属电极上，在两个金属之间电极施加偏置电压。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体为：采用化学气相沉积(CVD)的方法，以甲烷为碳源，在镍或铜等金属表面析出石墨烯。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体为：在石墨烯表面覆盖PDMS或PMMA，然后利用FeCl₃或Fe(NO)₃溶液中，将镍或铜等金属刻蚀掉，使石墨烯薄膜转移至PDMS或PMMA上。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体为：将石墨烯薄膜和PDMS或PMMA复合物膜覆盖在金属电极图形表面上，并均匀施力使石墨烯薄膜贴紧图形化的金属电极表面，随后撕去PDMS或PMMA薄膜，石墨烯搭接于图形化的金属电极上，并形成石墨烯－金属结。