CN103021808A - 一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其包括：制备石墨烯薄膜；在石墨烯薄膜上形成人工缺陷；利用含H等离子体对石墨烯薄膜进行各向异性刻蚀，沿着人工缺陷处形成石墨烯晶向标记图形；将带有石墨烯晶向标记图形的石墨烯薄膜与目标衬底对准并转移至目标衬底；依次采用光刻和氧等离子刻蚀工艺对石墨烯薄膜进行图形化，得到具有特定边缘的石墨烯图形。本发明提供的一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，能够制备出特定边缘的图形，从而获得具有不同性能的石墨烯薄膜，有利于石墨烯应用于不同的应用领域，并且方法简单，可以与传统CMOS工艺相兼容，有利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，且特别涉及一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法。
背景技术
石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为单层原子层的厚度—几埃的量级。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异性质。例如，石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍；其载流子迁移率达15000cm2/(V·s)，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，超过商用硅片迁移率的10倍以上，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可达250000cm2/(V·s)；其热导率可达5000W/(m·K)，是金刚石的3倍；还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。由于其优良的机械和光电性质，结合其特殊的单原子层平面二维结构及其高比表面积，可以制备基于石墨烯的各种柔性电子器件和功能复合材料。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点，人们普遍预测石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景，可望在21世纪掀起一场新的技术革命。
在半导体硅材料中，载流子沿着不同晶向的传输特性不一样。和硅中载流子输运特性类似，石墨烯一般有两种类型的边缘结构，请参考图1，图中1为Zigzag（锯齿形），2为Armchair（扶手椅形）。研究表明，两种不同边缘的石墨烯的性质也不一样：采用紧束缚模型计算的结果显示Zigzag边缘的石墨烯显示出金属键性质，而Armchair边缘的石墨烯，则视石墨烯的宽度显示出金属键或者半导体性质。根据不用的应用领域要求，需要石墨烯表现出金属键或者半导体性质，因此如何控制图形化后石墨烯的边缘是一项非常重要的工作。对于制备好的石墨烯薄膜，如果没有先确定石墨烯的晶向，随机地沿着某方向对石墨烯进行光刻、刻蚀的图形化过程，图形化之后的石墨烯边缘是不确定的，无法得到特定边缘的石墨烯图形，不利于石墨烯用于不同的应用场合。对于常规硅材料，一般采用X射线衍射XRD来确定硅的晶向，并通过标记图形来完成后续工艺的对准。而对于只有单层或者几层碳原子层的石墨烯而言，不便于采用传统的XRD确定其晶向；如果采用TEM等手段来确定其晶向则成本较高，不适于大生产应用。
请参阅图4，研究表明，如果在大面积的石墨烯中特意引入人工缺陷3，缺陷处已经有C-C键的断裂，随后采用含H等离子体对石墨烯进行刻蚀，刻蚀出来的图形不是等比例地将人工缺陷放大，而是沿着石墨烯晶向的规则正六边形，并且正六边形的边缘是特定的Zigzag边缘，如图5所示，而且刻蚀出来的标记图形4与特意引入的人工缺陷3的形状无关。因此，利用石墨烯的该特性能够制备出特定边缘石墨烯图形，并且方法简单，与传统CMOS工艺兼容，适于大生产应用。
发明内容
针对以上问题，为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，以解决现有技术中难以得到所需特定边缘的石墨烯图形。
本发明提供一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，包括：
步骤S01：制备石墨烯薄膜；
步骤S02：在所述石墨烯薄膜上形成人工缺陷；
步骤S03：采用H等离子体对所述石墨烯薄膜进行各向异性刻蚀，沿着所述人工缺陷处形成石墨烯晶向标记图形；
步骤S04：将带有所述石墨烯晶向标记图形的石墨烯薄膜和目标衬底对准后转移至目标衬底；
步骤S05：依次采用光刻和氧等离子刻蚀工艺对所述石墨烯薄膜进行图形化，得到具有特定边缘的石墨烯图形。
优选地，所述石墨烯薄膜的制备工艺为CVD淀积、SiC热分解、或氧化还原法。
优选地，所述人工缺陷依次通过光刻和氧等离子体刻蚀工艺形成，其形状为任意形状。
优选地，所述人工缺陷在制备所述石墨烯薄膜的过程中形成。
优选地，所述含H等离子体中的H可以来自于H2、HCl或其他含有H原子的前躯体。
优选地，所述各向异性刻蚀的位置在所述人工缺陷处。
优选地，所述石墨烯晶向标记图形为沿着石墨烯晶格的正六边形，且所述正六边形的边缘结构为Zigzag图形。
优选地，所述特定边缘为zigzag、armchair或者其他特定边缘。
在本发明提供的一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法中，通过引入人工缺陷，采用H等离子对石墨烯各向异性刻蚀得到石墨烯晶向标记图形，然后再根据石墨烯晶向标记图形确定石墨烯晶向，为后续石墨烯图形化工艺提供对准标准，再依次采用光刻和氧等离子刻蚀工艺得到特定边缘的石墨烯图形，进一步得到不同性质的石墨烯，有望应用于不同的应用领域。
附图说明
图1是石墨烯薄膜图形边缘结构的示意图
图2 本发明方法的一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法的一个较佳实施例的流程示意图
图3-7本发明的上述实施例的制作方法的具体步骤示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。
现结合附图2-7，通过一个具体实施例对本发明的一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图2为本发明的一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法的一个较佳实施例的流程示意图。图3-7为上述实施例的制作方法的具体步骤示意图。
请参阅图2，如图所示，在本发明的该实施例中，一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法包括如下步骤：
步骤S01：请参阅图3，图3中，1为Zigzag边缘，2为armchair边缘。制备石墨烯薄膜，所采用的制备方法可以但不限于是CVD淀积、SiC热分解或氧化还原法。在本实施例中，采用但不限于Cu箔作为衬底，采用但不限于CH4和H2为反应气体，采用但不限于CVD工艺制备大面积高质量石墨烯薄膜。
步骤S02：请参阅图4，在所述石墨烯薄膜上形成人工缺陷3。在本实施例中，人工缺陷3依次采用常规集成电路中的光刻工艺和氧等离子体刻蚀工艺形成，也可以通过在制备大面积石墨烯薄膜工艺过程中形成。
需要说明的是，人工缺陷3的形状可以为任意形状，在本实施例中，如图4和图5中所示，人工缺陷3是圆形或方形，但不用于限制本发明，对应的图5中得到的石墨烯晶向标记图形4均为Zigzag边缘的图形。
步骤S03：请参阅图6，采用H等离子体对所述石墨烯薄膜进行各向异性刻蚀，沿着所述人工缺陷3处形成石墨烯晶向标记图形4。在本实施例中，采用H2作为前躯体，利用含H等离子体对石墨烯进行各向异性刻蚀，刻蚀沿着已经形成的人工缺陷3扩展并最终形成沿着石墨烯晶格的正六边形的石墨烯晶向标记图形4，且正六边形的边缘为Zigzag图形。
步骤S04：通过显微镜将带有所述石墨烯晶向标记的石墨烯薄膜与目标衬底对准后转移至目标衬底；在本实例中，在石墨烯薄膜的转移过程中，先在石墨烯薄膜表面旋涂一层PMMA，然后采用FeCl3溶液将石墨烯薄膜从Cu箔上腐蚀下来，然后通过显微和目标衬底对准后将石墨烯薄膜转移至目标衬底，然后再去除掉PMMA，完成石墨烯薄膜的转移。但这不用以限制本发明范围。
步骤S05：请参阅图7，采用光刻工艺或氧等离子刻蚀工艺对所述石墨烯薄膜进行图形化，得到具有特定边缘的石墨烯图形。具体地，首先将石墨烯薄膜和目标衬底进行对准，然后依次通过光刻工艺和氧等离子体刻蚀工艺对石墨烯薄膜进行图形化处理，最后得到具有特定边缘的石墨烯图形，这里的特定边缘可以但不限于是zigzag或armchair图形，如图7所示。本实施例中，图形化后可以对石墨烯边缘进行选择性工艺处理，本发明对此并无限制，最后得到具有特定的纵向zigzag或横向armchair边缘的石墨烯图形。
在本发明提供的一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，通过引入人工缺陷3，利用含H等离子对石墨烯各向异性刻蚀得到石墨烯晶向标记图形4，然后再根据石墨烯晶向标记图形4确定石墨烯晶向，解决了确定石墨烯晶向的问题，从而为后续石墨烯图形化工艺提供对准标准，最后制备得到具有特定边缘的石墨烯图形，进一步得到不同性质的石墨烯，可以应用于不同的应用领域，此外，该方法与现有CMOS工艺相兼容，适合于大规模生产，有利于推广应用。
以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其特征在于，包括：
步骤S01：制备石墨烯薄膜；
步骤S02：在所述石墨烯薄膜上形成人工缺陷；
步骤S03：采用H等离子体对所述石墨烯薄膜进行各向异性刻蚀，沿着所述人工缺陷处形成石墨烯晶向标记图形；
步骤S04：将带有所述石墨烯晶向标记图形的石墨烯薄膜和目标衬底对准后转移至目标衬底；
步骤S05：依次采用光刻和氧等离子刻蚀工艺对所述石墨烯薄膜进行图形化，得到具有特定边缘的石墨烯图形。
2.根据权利要求1所述一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜的制备工艺为CVD淀积、SiC热分解、或氧化还原法。
3.根据权利要求1所述一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其特征在于，所述人工缺陷依次通过光刻和氧等离子体刻蚀工艺形成，其形状为任意形状。
4.根据权利要求1所述一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其特征在于，所述人工缺陷在制备所述石墨烯薄膜的过程中形成。
5.根据权利要求1所述一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其特征在于，所述含H等离子体中的H可以来自于H2、HCl或其他含有H原子的前躯体。
6.根据权利要求1所述一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其特征在于，所述各向异性刻蚀的位置在所述人工缺陷处。
7.根据权利要求1所述一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其特征在于，所述石墨烯晶向标记图形为沿着石墨烯晶格的正六边形，且所述正六边形的边缘结构为Zigzag图形。
8.根据权利要求1所述一种制备特定边缘的石墨烯图形的方法，其特征在于，所述特定边缘为zigzag、armchair或者其他特定边缘。
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