CN102263013A - 石墨烯的图形化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在衬底上开具沟槽，再利用这些沟槽对石墨烯进行图形化的方法。该方法包括如下步骤：利用微加工技术中的深反应离子刻蚀、微切割技术或湿法腐蚀在衬底上制作出以沟槽为边界的图形结构；将无支撑的大面积石墨烯薄膜从溶液中转移到具有沟槽的图形化衬底上；烘干衬底与石墨烯，利用溶液的表面张力使沟槽区域的石墨烯断裂，得到所需要的图形化石墨烯。该方法可以在衬底上精准确定图形化石墨烯的位置，并且无需对石墨烯进行光刻刻蚀等处理，避免了对石墨烯晶格质量造成损害，解决以往石墨烯图形化过程中成本高、定位难、易受污染等问题。

Description

石墨烯的图形化方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是指一种可以精确定位石墨烯的图形化方法。
背景技术
石墨烯是单层碳原子排列成二维正六边形蜂窝状点阵所形成的材料，保持了近乎完美的晶体结构和极高的稳定性，并且展现出诸如室温量子霍尔效应、弹道运输、无质量的狄拉克费米子等一系列新奇的物理性质。自2010年石墨烯获得诺贝尔物理学奖以后，石墨烯更是引起了人们广泛的研究热潮。
目前，石墨烯已被证明可以应用于多种电子器件的制备，如分子传感器、场效应晶体管、太阳能电池等等。基于微纳器件的制备，通常需要对石墨烯进行图形化，目前常用的石墨烯图形化方法有：1)对转移后的大面积石墨烯进行光刻、离子刻蚀工艺，得到图形化的石墨烯，这种方法图形化精度高，但是工艺难度大，工艺过程中容易对石墨烯造成污染与损伤；2)直接生长图形化的石墨烯再进行转移，这种方法无需用到后续的光刻刻蚀工艺，但无法将石墨烯精确定位到衬底上；3)纳米压印法，在需要有图形的地方压印上石墨烯，这种方法方便简单，但是无法得到较为复杂的图形，模版制备成本也很高。
鉴于此，实有必要提出一种石墨烯的图形化方法以达到精确定位。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于提供一种石墨烯的图形化的方法以实现在衬底上精确定位图形化石墨烯的位置。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：石墨烯的图形化方法，包括以下步骤：
1)在衬底上制作出沟槽形成所需图形；
2)制备大面积石墨烯薄膜并转移到溶液中；
3)将石墨烯薄膜从溶液中转移到具有沟槽图形的衬底上；
4)烘干直至石墨烯薄膜在沟槽上断裂，从而得到所需要的图形化石墨烯。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤1)中的所需图形为线形、圆形、矩形、正方形、多边形、梳齿形及其组合。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤1)中的衬底为硅片、氧化硅片、陶瓷、玻璃或SOI片。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤1)中的沟槽的深宽比＞1.1。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤1)中的沟槽侧壁横截面为直角、弧形或斜坡。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤1)中沟槽是采用深反应离子刻蚀、微切割技术或湿法腐蚀方法形成。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤2)中的溶液为去离子水、酒精、丙酮、四氯化碳或异丙醇。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤2)中石墨烯薄膜为剥离后或者利用化学气相沉积(CVD)生长后转移下来的无支撑薄膜样品。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤3)具体是指将图形化的衬底直接在溶液中捞取漂浮的石墨烯薄膜，使石墨烯定位在衬底图形表面。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤4)中的烘干是指30-400℃的温度下烘干5-60min。
本发明首先利用微加工技术中在衬底上制作出以沟槽为边界的图形结构；再将机械剥离或化学气相沉积(CVD)法制备而得的大面积石墨烯薄膜转移到溶液中；将石墨烯薄膜从溶液中转移到具有沟槽的图形化衬底上；烘干衬底与石墨烯，利用溶液的表面张力使沟槽区域的石墨烯断裂，得到所需要的图形化石墨烯。
本发明的优点如下：
1.本发明可以在衬底上精确定位图形化石墨烯的位置；
2.本发明无需对石墨烯膜进行后续的光刻、刻蚀等工艺，不会对石墨烯造成物理损伤与破坏，成本也较低；
3.本发明可以很容易实现对图形化石墨烯的大规模集成。
附图说明：
图1为本发明中不同侧壁的沟槽衬底部分横截面图；
图2为本发明中衬底沟槽的几种图形；
图3为本发明石墨烯的图形化方法流程图；
图4为本发明实施例一正方形沟槽衬底的光刻板与衬底图样；
图5为本发明实施例二正方形与矩形组合图形沟槽衬底的光刻板与衬底图样；
图6为本发明实施例三六电极多边形沟槽衬底的光刻板图样。
具体实施方式：
实施例一
对石墨烯进行正方形图形化
1.直接利用微切割技术在陶瓷衬底上切割5×5mm的正方形沟槽，沟槽边界宽度30um，深度40um，沟槽图样与衬底俯视图如图4所示；
2.利用机械剥离法得到的石墨烯转移到丙酮中；
3.将带图形的衬底直接在丙酮中捞取石墨烯薄膜，薄膜覆盖于图形上方；
4.在200℃下烘干15min后，便可在衬底图形处得到图形化的石墨烯。
实施例二
制备组合图形化的石墨烯薄膜
1.光刻板与衬底图样如图5所示，图形为矩形(0.5×3mm)与正方形(2×2mm)的组合图形，边界宽度20um，对硅衬底旋涂5um厚胶后光刻、显影后烘干，利用深反应离子刻蚀对硅衬底刻蚀沟槽30um，刻蚀结束后去胶、清洗、烘干；
2.在Cu箔上利用CVD法制备的大面积高质量石墨烯转移到去离子水中；
3.利用沟槽衬底在溶液中捞取石墨烯薄膜，薄膜覆盖于沟槽上方；
4.在40℃下烘干30min，便可在衬底图形处得到图形化的石墨烯，之后可以在正方形区域做上金属器件而制得条纹石墨烯器件(如图5所示)。
实施例三
制备六电极多边形的石墨烯
1.制作沟槽衬底，光刻版图样如图6所示，工艺过程与实施例2中步骤1中的工艺过程相同；
2.步骤2，3，4与实施例2中步骤2，3，4相同。
本发明提供的对石墨烯进行图形化的方法主要特征在于：
1.采用微技术加工工艺中深反应离子刻蚀、微切割技术或湿法腐蚀的方法在衬底上制作出所需要的沟槽图形，图形可为线形、圆形、矩形、多边形、梳齿形等及其组合；
2.衬底可为硅片、氧化硅片、陶瓷、玻璃等等；
3.图形边界为具有一定宽度和深度的沟槽，深宽比＞1.1；
3.不同的沟槽刻蚀方法可让沟槽侧壁具有一定形状与角度，如直角、弧形、斜坡等；
4.溶液可为去离子水、酒精、丙酮、四氯化碳或异丙醇等；
5.石墨烯为剥离后或者利用化学气相沉积(CVD)生长后转移下来的无支撑薄膜样品；
6.石墨烯需完全覆盖图形表面；
7.利用转移后烘干时利用溶液的表面张力使得石墨烯在沟槽处断裂，精确定位衬底上的石墨烯位置。
实现本发明的技术方案总结为：
1.根据所需要的图形绘制光刻板，图形边界留有0.1-100um的宽度，用于后续刻蚀沟槽，在硅衬底上涂胶、光刻、显影、烘干，利用深反应离子刻蚀、微切割技术或湿法腐蚀对衬底图形进行刻蚀沟槽，刻蚀深度0.11-200um，刻蚀结束后去胶、清洗、烘干，沟槽侧壁具有一定形状与角度(衬底沟槽剖面图如图1所示)；
2.将机械剥离法或者CVD法得到的石墨烯薄膜转移到溶液中，使其漂浮在溶液表面；
3.将图形化的衬底直接在溶液中捞取漂浮的石墨烯薄膜，使石墨烯定位在衬底图形表面；
4.在30-400℃的温度下烘干5-60min，沟槽上方的石墨烯便会由于溶液的表面张力而发生断裂剥离，从而在边界区域内得到图形化的石墨烯。流程图如图3所示。
本发明的优点如下：
1.本发明可以在衬底上精确定位图形化石墨烯的位置；
2.本发明无需对石墨烯膜进行后续的光刻、刻蚀等工艺，不会对石墨烯造成物理损伤与破坏，成本也较低；
3.本发明可以很容易实现对图形化石墨烯的大规模集成。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.石墨烯的图形化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在衬底上制作出沟槽形成所需图形；
2)制备大面积石墨烯薄膜并转移到溶液中；
3)将石墨烯薄膜从溶液中转移到具有沟槽图形的衬底上；
4)烘干直至石墨烯薄膜在沟槽上断裂，从而得到所需要的图形化石墨烯。
2.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤1)中的所需图形为线形、圆形、矩形、正方形、多边形、梳齿形及其组合。
3.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤1)中的衬底为硅片、氧化硅片、陶瓷、玻璃或SOI片。
4.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤1)中的沟槽的深宽比＞1.1。
5.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤1)中的沟槽侧壁横截面为直角、弧形或斜坡。
6.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤1)中沟槽是采用深反应离子刻蚀、微切割技术或湿法腐蚀方法形成。
7.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤2)中的溶液为去离子水、酒精、丙酮、四氯化碳或异丙醇。
8.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤2)中石墨烯薄膜为剥离后或者利用化学气相沉积(CVD)生长后转移下来的无支撑薄膜样品。
9.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤3)具体是指将图形化的衬底直接在溶液中捞取漂浮的石墨烯薄膜，使石墨烯定位在衬底图形表面。
10.如权利要求1所述的石墨烯的图形化方法，其特征在于，所述步骤4)中的烘干是指30-400℃的温度下烘干5-60min。
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