CN102423722B - 微流通道及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微流通道，包括一具有原子台阶的支撑面，以及覆盖于所述支撑面的石墨烯覆盖层；所述微流通道由支撑面表面的原子台阶和石墨烯覆盖层所围拢的空间构成。本发明的优点在于，通过在具有原子台阶的晶体表面覆盖石墨烯片层来获得和晶体表面原子台阶之间构成的纳米孔道，并且可以通过控制退火时间和温度来改变表面原子台阶层数来控制纳米孔道的有效直径。

Description

微流通道及其制备方法

技术领域

本发明涉及微纳流器件与工艺技术领域，尤其涉及微流通道及其制备方法。

背景技术

微纳流器件中各种新颖的特性源于纳米空间中的尺度效应。纳米通道限域空间中的水分子纳米结构对于实现微纳流器件的新奇特性至关重要。众所周知，常用碳纳米管作为纳米管道，随着技术的不断发展，微流通道不但可以形成类似半导体场效应管、PN结，应用于微流控集成电路中，还可以广泛用于纳米流体电池，分子级的化学分析、分离，传感器及纯水净化当中。

但是目前最小的碳纳米管直径大约2nm，限域空间的新奇特性未能完全体现出，制备直径更小的纳米管道，形成准一维水分子以及利用外场控制纳米管道内准一维水分子的传输行为仍是一个巨大的挑战。此外，碳管端口开口工艺复杂，形成尺寸均一的两端开口的管道阵列相当有难度，制备过程复杂，成本高，大规模的集成这些由碳纳米管或者其他纳米管道的微纳流器件还存在很多问题。由于纳米碳管的机械性质，较难实现直接利用原子显微镜探针测得纳米碳管内部水分子的微观结构。同时无论表面还是纳米管内水分子的结构及相关传输行为均很难直接观测。由于热扰动作用和毛细吸附作用，表面水分子结构只能采用超高真空扫描隧道显微镜来研究，并不适合研究室温下的水分子纳米结构，纳米管道中的水分子结构就更加无法利用普通的形貌测试手段来获得。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供简易方法获得尺寸可调的纳米通道结构。

为了解决上述问题，本发明提供了一种微流通道，包括一具有原子台阶的支撑面，以及覆盖于所述支撑面的石墨烯覆盖层；所述微流通道由支撑面表面的原子台阶和石墨烯覆盖层所围拢的空间构成。

本发明进一步提供了一种上述结构的制备方法，包括如下步骤：提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；对支撑衬底实施退火，在其表面形成具有原子台阶的支撑面；在支撑面表面形成石墨烯覆盖层，从而获得由支撑面表面的原子台阶和石墨烯层所围拢的空间构成的微流通道。

作为可选的技术方案，所述在支撑面表面形成石墨烯覆盖层进一步包括如下步骤：提供一生长衬底；采用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备石墨烯薄膜层；将生长衬底置于生长衬底的腐蚀液中，使石墨烯薄膜层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；用支撑衬底的具有原子台阶的支撑面将石墨烯薄膜从溶液中捞起，石墨烯材料的表面张力使得石墨烯薄膜层铺展并吸附在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上。

作为可选的技术方案，所述在支撑面表面形成石墨烯覆盖层进一步包括如下步骤：将石墨薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，得到石墨烯薄膜层；将石墨烯薄膜转移到支撑衬底的具有原子台阶的支撑面，从而在支撑面上覆盖石墨烯层。

作为可选的技术方案，所述在支撑面表面形成石墨烯覆盖层进一步包括如下步骤：提供一生长衬底；选用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备石墨烯薄膜层；在石墨烯薄膜层上涂敷粘附层，形成粘附层与石墨烯的复合薄膜层；将生长衬底置于能够腐蚀生长衬底的化学腐蚀液中，使石墨烯薄膜与粘附层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；将石墨烯薄膜与粘附层的复合薄膜层压印在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上；将粘附层去除，从而在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上形成石墨烯层。

石墨烯是由碳原子组成的极薄层状材料，最薄可到单原子层，可利用化学气相沉积，机械解理等特定条件制得，是一种零带隙、半金属的二维材料。具有原子台阶的半导体材料可以通过退火控制原子台阶个数，表面覆盖石墨烯可以与半导体表面的原子台阶形成可调控的纳米通道，并且可保证纳米通道轴向的原子光滑度。此外，由于石墨烯是较柔软的材料，通道中充满一维水分子之后，不但对水分子结构起到稳定作用，还使得直接利用原子力显微镜观测纳米通道中水分子结构和传输特性变成可能。 

利用表面具有原子台阶或者纳米级凹槽的半导体，与覆盖其上的石墨烯片层之间存在纳米级缝隙，这个缝隙就是我们可以利用的纳米级管道。形成此纳米尺寸管道的原子台阶可以通过控制斜切角，退火形成。

本发明的优点在于，通过在具有原子台阶的晶体表面覆盖石墨烯片层来获得和晶体表面原子台阶之间构成的纳米孔道，不同的晶体表面台阶可以通过不同方式获得，比如可以通过控制斜切角，退火时间、温度来改变表面原子台阶层数来控制纳米孔道的有效直径。

附图说明

附图1A至附图1D是本发明实施例的工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于石墨烯与原子台阶的纳米通道结构及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

首先提供本发明所述方法的第一具体实施方式，包括如下步骤：步骤S10，提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；步骤S11，对支撑衬底实施表面腐蚀或者退火，在其表面形成具有原子台阶的支撑面；步骤S12，提供一生长衬底；步骤S13，采用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备石墨烯薄膜层；步骤S14，将生长衬底置于生长衬底的腐蚀液中，使石墨烯薄膜层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；步骤S15，用支撑衬底的具有原子台阶的支撑面将石墨烯薄膜从溶液中捞起，石墨烯材料的表面张力使得石墨烯薄膜层铺展并吸附在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上。

步骤S10中，所述支撑衬底的材料可以但不限于是III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体、IV族化合物半导体以及单质半导体中的一种。任何一种晶体材料都可以通过腐蚀或者退火在表面形成原子台阶。 

步骤S11中，退火的温度和时间由支撑衬底的材料决定。例如SiC表面原子台阶, 通过斜切角可以初步控制表面台阶的宽度。根据需要，先选择一定的斜切角，之后还需将具有斜切角度的SiC进行退火。台阶会随着退火温度的升高而变高和变宽。相同退火温度下，越长的退火时间，导致最初规则平行的台阶变得弯曲不均匀，台阶变的不规则，不利于后期与石墨烯薄膜形成平直的纳米孔道。

步骤S12中，生长衬底的材料的要求非常宽泛，很多常见的衬底材料，例如单晶硅、蓝宝石、玻璃甚至于金属衬底都可以满足要求。

步骤S13中，关于化学气相沉积法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。所述石墨烯薄膜也可以采用湿化学法生长。

步骤S14中，腐蚀液会首先腐蚀石墨烯层和生长衬底的边缘接触部分，边缘的石墨烯层受到腐蚀后受到液体的浮力作用而与生长衬底分离，促使腐蚀液进一步向中心部分腐蚀，最终将两者分离。

步骤S15中，石墨烯薄膜层会漂浮在液面上，将支撑衬底的具有原子台阶的支撑面从溶液中由下而上的捞起，自然会将石墨烯薄膜层铺展并吸附在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上。

上述步骤实施完毕所获得结构包括一具有原子台阶的支撑面，以及覆盖于所述支撑面的石墨烯覆盖层，而原子台阶和石墨烯覆盖层围拢成一通道，所述微流通道即是由支撑面表面的原子台阶和石墨烯覆盖层所围拢的空间构成。

接下来提供本发明所述方法的第二具体实施方式，包括如下步骤：步骤S20，提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；步骤S21，对支撑衬底实施退火，在其表面形成具有原子台阶的支撑面；步骤S22，提供一石墨片；步骤S23，将石墨片的两面贴敷胶膜；步骤S24，撕开胶膜从而将石墨片一分为二；步骤S25，重复上述操作，使石墨薄片越来越薄，最终获得石墨烯薄膜层；步骤S26，用将石墨烯薄膜转移到支撑衬底的具有原子台阶的支撑面，从而在支撑面上覆盖石墨烯层。

步骤S20与步骤S21与前一具体实施方式相同，不再赘述。

步骤S22中，所述石墨片的分子结构是由呈六角形排列的单层原子层重叠构成的层状结构，可以作为采用物理法分离石墨烯的原料。

步骤S23中，所述胶膜的材料是以聚乙烯为胶膜的基材，另一面复合有胶粘剂，即普通所见的透明胶带。

步骤S24中，由于胶膜和石墨片之间的结合力大于石墨片层状结构之间的结合力，故可以将石墨片一分为二。

步骤S25中，重复操作，石墨片越来越薄，当胶膜表面的呈六角形排列的单层原子层的层数在数百层甚至更小时，即在胶膜表面通过物理分割的方法获得了石墨烯材料。

步骤S26中，由于半导体表面具有电荷的缘故会呈现亲水性，容易吸附水及水合碳。当达到步骤25中所述情形时，胶膜表面粘附了数百层甚至更少层数时候，远离胶膜表面一侧的石墨烯受到半导体表面的亲水相互作用，这种亲水相互作用导致的石墨烯与半导体表面结合力大于胶膜上石墨片层结构之间的结合力，故可以将胶膜表面吸附的石墨烯转移到半导体的表面。具体实施方式已属于公知技术，非常成熟。

接下来提供本发明所述方法的第三具体实施方式，包括如下步骤：步骤S30，提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；步骤S31，对支撑衬底实施退火，在其表面形成具有原子台阶的支撑面；步骤S32，提供一生长衬底；步骤S33，选用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备石墨烯薄膜层；步骤S34，在石墨烯薄膜层上涂敷粘附层，形成粘附层与石墨烯的复合薄膜层；步骤S35，将生长衬底置于能够腐蚀生长衬底的化学腐蚀液中，使石墨烯薄膜与粘附层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；步骤S36，将石墨烯薄膜与粘附层的复合薄膜层压印在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上；步骤S37，将粘附层去除，从而在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上形成石墨烯层。

步骤S30至步骤S33与第一具体实施方式相同，不再赘述。

步骤S34中，粘附层的材料可以是二甲基硅氧烷（PDMS）。

步骤S35中，腐蚀原理请参考第一具体实施方式中的步骤S14。

步骤S36中，由于粘附层具有一定的机械强度，起到了支撑作用，因此可以采用压印的方法。

步骤S37中，除去粘附层可以采用溶解或者选择性腐蚀的方法，例如用酒精或丙酮等有机溶剂将PDMS材料溶解。

以下以SiC晶体作为支撑衬底为例给出一实施例。

步骤一，参考附图1A，石墨烯制备：选用化学气相沉积的方法在生长衬底100的表面制备石墨烯薄膜110，关于化学气相沉积法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。本步骤需要为化学气相衬底工艺提供单独的生长衬底100。化学气相沉积法的工艺能够在生长衬底100表面形成石墨烯薄膜，且此工艺对生长衬底100材料的要求非常宽泛，很多常见的衬底材料，例如单晶硅、蓝宝石、玻璃甚至于金属衬底都可以满足要求。所述石墨烯薄膜110也可以采用湿化学法生长。

步骤二，参考附图1B，在石墨烯薄膜110上旋涂聚二甲基硅氧烷（PDMS）层130，由于PDMS有一定的粘性，可以粘附石墨烯薄膜层，并利用化学方法腐蚀石墨烯衬底，从而将石墨烯薄膜层从生长衬底上剥离。例如将生长衬底100置于能够腐蚀生长衬底的化学腐蚀液中，使石墨烯薄膜110与二甲基硅氧烷（PDMS）层130从生长衬底100上剥离并漂浮在液面上。

步骤三，SiC晶体斜切,退火，形成原子台阶。此处还可以通过电子束曝光、聚焦离子束获得纳米级凹槽。

步骤四，SiC晶体的清洗：用丙酮、酒精等有机溶剂清洗表面。

步骤五，参考附图1C，将石墨烯薄膜110与PDMS层130构成的复合薄膜层压印在SiC晶体120表面。

步骤六，参考附图1D，用酒精或丙酮等有机溶剂将PDMS层130溶解，从而实现了石墨烯薄膜110到具有原子台阶的SiC晶体120上的转移。

以下以SiC晶体作为支撑衬底为例给出另一实施例。

步骤一，参考附图1A，石墨烯制备：选用化学气相沉积的方法在生长衬底100的表面制备石墨烯薄膜110，关于化学气相沉积法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。本步骤需要为化学气相衬底工艺提供单独的生长衬底100。化学气相沉积法的工艺能够在生长衬底100表面形成石墨烯薄膜，且此工艺对生长衬底100材料的要求非常宽泛，很多常见的衬底材料，例如单晶硅、蓝宝石、玻璃甚至于金属衬底都可以满足要求。所述石墨烯薄膜110也可以采用湿化学法生长。

步骤二，直接将带有石墨烯薄膜的生长衬底置于能够腐蚀生长衬底的化学腐蚀液中，使石墨烯薄膜从生长衬底上剥离并漂浮在液面上。

步骤三，清洗表面具有原子台阶的SiC晶体的表面。

步骤四，用SiC晶体将石墨烯薄膜从溶液中捞起，石墨烯材料的表面张力使得石墨烯薄膜铺展并吸附在SiC晶体的表面，从而在SiC晶体表面形成石墨烯薄膜。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微流通道，其特征在于：包括一具有原子台阶的支撑面，以及覆盖于所述支撑面的石墨烯覆盖层；所述微流通道由支撑面表面的原子台阶和石墨烯覆盖层所围拢的空间构成。

2.根据权利要求1所述的微流通道，其特征在于，所述支撑面的材料选自于III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体、IV族化合物半导体以及单质半导体中的一种。

3.根据权利要求1所述的微流通道，其特征在于，所述石墨烯选自于单原子层石墨烯和多原子层石墨烯中的一种。

4.一种权利要求1所述微流通道的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成； 对支撑衬底实施退火，在其表面形成具有原子台阶的支撑面； 在支撑面表面形成石墨烯覆盖层，从而获得由支撑面表面的原子台阶和石墨烯层所围拢的空间构成的微流通道。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述在支撑面表面形成石墨烯覆盖层进一步包括如下步骤：

提供一生长衬底；

采用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备石墨烯薄膜层；

将生长衬底置于生长衬底的腐蚀液中，使石墨烯薄膜层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；

用支撑衬底的具有原子台阶的支撑面将石墨烯薄膜从溶液中捞起，石墨烯材料的表面张力使得石墨烯薄膜层铺展并吸附在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述在支撑面表面形成石墨烯覆盖层进一步包括如下步骤：

提供一石墨片；

将石墨片的两面贴敷胶膜；

撕开胶膜从而将石墨片一分为二；重复上述操作，使石墨薄片越来越薄，最终获得石墨烯薄膜层； 

将石墨烯薄膜转移到支撑衬底的具有原子台阶的支撑面，从而在支撑面上覆盖石墨烯层。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述在支撑面表面形成石墨烯覆盖层进一步包括如下步骤：

提供一生长衬底；

选用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备石墨烯薄膜层；

在石墨烯薄膜层上涂敷粘附层，形成粘附层与石墨烯的复合薄膜层；

将生长衬底置于能够腐蚀生长衬底的化学腐蚀液中，使石墨烯薄膜与粘附层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；

将石墨烯薄膜与粘附层的复合薄膜层压印在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上；

将粘附层去除，从而在支撑衬底的具有原子台阶的支撑面上形成石墨烯层。

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