CN103296991B

CN103296991B - 基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器及其制备工艺

Info

Publication number: CN103296991B
Application number: CN201310157420.6A
Authority: CN
Inventors: 徐跃杭; 李欧鹏; 孙岩; 徐锐敏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-04-28
Also published as: CN103296991A

Abstract

本发明涉及一种基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器及其制备工艺，属于通信电子元器件技术领域。该工艺是在柔性基板上蚀刻所需栅电极形状，在其表面蒸发金属层，在柔性基板上沉积二氧化硅；再转移石墨烯于栅电极正上方，并在其上旋涂光刻胶；在石墨烯沟道上蒸发钛、铂和金作为源电极和漏电极；最后用光刻胶覆盖整个器件，处理后即得柔性基板的石墨烯高频高Q纳机电谐振器。本发明的石墨烯高频高Q纳机电谐振器结构依次层叠为柔性基板，介质层，栅电极，石墨烯梁，石墨烯梁两侧的源电极和漏电极。本发明的谐振器为具有高频率、高品质因素、轻薄柔软及抗震性的微波器件；且具有廉价特点。

Description

基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种通信电子元器件，具体涉及一种基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器及其制备工艺，属于通信电子元器件技术领域。

背景技术

作为单原子层二维纳米材料，石墨烯（graphene）中载流子是狄拉克费米子，具有良好的线性色散特性，与传统的硅、砷化镓和其它半导体材料相比，石墨烯具有更高的载流子迁移率、电子饱和速率和热导率。同时，石墨烯具有很强的机械强度和韧性，拉伸强度是钢的十倍以上，而且切割到十纳米以下依然能保持其性能，是作为高速，高Q值，小型化纳米机电谐振器的理想材料。目前,石墨烯纳机电系统（NEMS）研究主要集中在硬质基板上面，由于石墨烯的内在张力影响，限制了石墨烯梁纳机电谐振频率的进一步提高。近年来，柔性薄膜电子器件因其可延展性、可弯曲折叠性、透明性、可直接接触人体与触摸性、轻薄柔软、抗震性、一次消费性、廉价性等众多优点，成为全球学术界，消费电子产业界与发达国家政府关注的焦点。随着当前柔性薄膜电子学器件的高速发展，石墨烯材料以其优异的特性有望在该领域获得广泛应用，可极大地增加柔性薄膜电子学器件的工作速度和柔软性。目前石墨烯柔性电子学器件在材料和工艺方面已经取得较好的成果。因此，开发基于柔性基板的石墨烯纳机电谐振器不仅可有效提高器件的谐振频率，而且在未来柔性电子学器件的发展和应用上也具有重要意义。

发明内容

本发明的目的正是基于上面所述现有技术中所存在的缺陷和不足，提出了一种基于柔性基板的具有新型结构的石墨烯纳机电谐振器及其制备工艺。采用该工艺所制备的柔性基板的石墨烯纳机电谐振器为具有高频率、高品质因素、轻薄柔软以及抗震性能的微波器件、且其具有廉价等特点。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提出的一种基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器的制备工艺，其特征在于包括以下工艺步骤：

步骤1：在柔性基板上旋涂光刻胶（PMMA），利用电子束在柔性基板上蚀刻出所需的栅极金属电极形状；

步骤2：利用蒸发法在步骤1的柔性基板表面蒸发一层金属钛和一层金-铂合金，然后除去多余的光刻胶及其上面附着的金属,只剩下柔性基板上已构型的栅极金属电极；

步骤3：在步骤2柔性基板上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层二氧化硅（SiO₂）介质层，并将所述的栅极金属电极埋在二氧化硅介质层中；

步骤4：在已制作好的石墨烯晶圆上旋涂上光刻胶(PMMA)，再把石墨烯晶圆放入硝酸铁(FeNO₃)溶液中刻蚀铜，刻蚀完毕后沾有石墨烯的光刻胶将浮于硝酸铁液体表面，此时用玻璃把光刻胶从硝酸铁溶液里面转移到清水里面清洗干净；

步骤5：转移石墨烯，利用步骤3中制作好的柔性基板将步骤4所述光刻胶从水里捞起，并在显微镜下利用玻璃针挪动光刻胶和石墨烯，直到石墨烯位于栅极金属电极正上方为止，至此石墨烯转移完毕；

步骤6：将步骤5的柔性基板晾干，用电子束蚀刻光刻胶（PMMA），留下栅极金属电极上方的光刻胶和石墨烯，其他地方暴露出的石墨烯用氧化蚀刻法蚀刻掉；

步骤7：在步骤3所述二氧化硅介质层上，且平行与栅极金属电极相距500nm～2000nm的距离，用电子束光刻剥离技术在其上依次蒸发一层钛、一层铂和一层金作为源极金属电极和漏极金属电极；

步骤8：用光刻胶覆盖上述制备的整个器件，光刻暴露出步骤6中留下的石墨烯，用氢氟酸（HF）腐蚀石墨烯下方的二氧化硅介质层，直达栅极金属电极所在柔性基板的位置，形成石墨烯沟道，使石墨烯悬挂于栅极金属电极上方，成为石墨烯梁，至此即制得基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器。

上述技术方案中，所述柔性基板是聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN），聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或者聚酰亚胺(PI)材料。

上述技术方案中，所述在柔性基板上沉积的二氧化硅（SiO₂）介质层，其沉积厚度为100nm～200nm；所述石墨烯沟道的宽度即漏极金属电极和源极金属电极相距的距离为500nm～2000nm。

本发明上述任一所述制备工艺制备的基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器，其特征在于该谐振器是以柔性材料作为石墨烯纳机电谐振器衬底，即作为柔性基板，其结构为固支梁和本地背栅结构；包括由下向上依次层叠有：柔性基板、二氧化硅介质层、栅极金属电极、石墨烯梁、源极金属电极和漏极金属电极；所述位于柔性基板上的二氧化硅介质层上蚀刻有沟道，沟道内有栅极金属电极，所述石墨烯梁由二氧化硅介质层作支撑，并位于栅极金属电极之上，且石墨烯梁两侧沉积有源极金属电极和漏极金属电极。

上述技术方案中，所述柔性基板选自聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN），聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或者聚酰亚胺(PI)材料。

上述技术方案中，所述作为支撑石墨烯梁的二氧化硅介质层为直接接触，石墨烯梁被范德瓦尔斯力固定在二氧化硅介质层上。

上述技术方案中，所述二氧化硅介质层的厚度为100 nm～200nm。

上述技术方案中，所述石墨烯沟道的宽度为500nm～2000nm。

上述技术方案中，所述栅极金属电极由金属钛和金-铂合金组成。

上述技术方案中，所述源极金属电极和漏极金属电极均由钛、铂和金组成。

本发明的高频石墨烯纳机电谐振器具有以下优点及有益的技术效果：由于石墨烯（Graphene）具有二维平面结构、场相关电导率和高机械强度等特性，因此，本发明基于石墨烯（Graphene）材料设计及制备工艺制备的纳机电谐振器（NEMS）电子学器件具有高频、高品质因素等特点。本发明谐振器采用固支梁和本地背栅结构可直接读取其谐振器高频机械振动信号；采用柔性基板制作的石墨烯纳机电谐振器，可以通过调节器件弯曲度，增大石墨烯梁的张力，从而提高所制备电子学元器件的谐振频率。本发明所制备的具有固支梁和本地背栅结构的电子学元器件能用于可穿戴电子，柔性无线通信设备等；由于采用固支梁和本地背栅结构还能减小寄生电容对谐振器高频信号读取的影响。

附图说明

图1是本发明基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器的切面结构示意图；

图2是图1的立体结构示意图。

图中，1柔性基板，2二氧化硅介质层，3石墨烯梁，4栅极金属电极，5源极金属电极，6漏极金属电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但不应理解为是对本发明保护范围的任何限定。

本发明所述的基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器，其切面结构如图1所示，包括从下向上依次层叠有：柔性基板1、位于柔性基板1之上的二氧化硅介质层2，二氧化硅介质层2中有蚀刻的沟道，其深度直达柔性基板1；沟道内部柔性基板1上层叠有栅极金属电极4,柔性基板1上方二氧化硅介质层2上悬挂有单层的石墨烯梁3，石墨烯梁两侧的上方层叠有金属构成的源极金属电极5和漏极金属电极6。

本发明以下实施例中所述作为高频高Q石墨烯纳机电谐振器的柔性基板1可以选择聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或者聚酰亚胺(PI)材料作为柔性基板，其厚度均为127μm；

所述的二氧化硅（SiO₂）的介质层2用于支撑石墨烯梁3，它应提供较为光滑的电极接触，其厚度为100 nm～200nm，石墨烯沟道的宽度为500～2000nm；

所述的栅极金属电极4由1nm厚的金属钛和30nm厚的金-铂合金组成；

所述的源极金属电极5和漏极金属电极6均由1nm厚的钛，15nm厚的铂，和50nm厚的金组成。

实施例1

本发明的基于柔性基板的高频石墨烯纳机电谐振器的制备工艺，其操作步骤如下：

步骤1：在聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）柔性基板1上旋涂光刻胶（PMMA），利用电子束蚀刻制作出栅极金属电极4的形状，其栅长度300nm，栅宽500nm；

步骤2：利用蒸发法在步骤1的柔性基板1表面蒸发一层1nm厚的金属钛，和一层30nm厚的金-铂合金；然后除去多余的光刻胶及其上面附着的金属,只剩下柔性基板1上已构型的栅极金属电极4；

步骤3：在步骤1的柔性基板1上方用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层厚度100nm的二氧化硅（SiO₂）介质层2；

步骤5：转移石墨烯，利用步骤3中制作好的柔性基板1将步骤4所述光刻胶从水里捞起，并在显微镜下利用玻璃针挪动光刻胶和石墨烯，直到石墨烯位于栅极金属电极4正上方为止，至此石墨烯转移完毕；

步骤6：将步骤5的柔性基板1晾干，用电子束蚀刻光刻胶（PMMA），留下栅极金属电极4上方的光刻胶和石墨烯，其具体为大小为1μm×500nm的方形区域，石墨烯沟道短边平行与栅极金属电极4，其他地方暴露出的多余石墨烯用氧化蚀刻法蚀刻掉，石墨烯沟道构型完毕；

步骤7：在步骤3所述二氧化硅介质层2上即石墨烯沟道上，且平行与栅极金属电极4相距500nm的距离，用电子束光刻剥离技术在其上依次蒸发一层1nm厚的钛、一层15nm厚的铂和一层50nm厚的金作为源极金属电极5和漏极金属电极6；

步骤8：用光刻胶覆盖上述制备的整个器件，光刻暴露出步骤6中留下的石墨烯，用氢氟酸（HF）腐蚀石墨烯下方的二氧化硅介质层2，直达栅极金属电极4所在柔性基板1的位置，形成石墨烯沟道，使石墨烯悬挂于栅极金属电极4上方，成为石墨烯梁3，至此即制得基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器。

本发明由上述制备工艺制备的基于柔性基板的高频高Q值的石墨烯纳机电谐振器，其结构由下往上依次层叠有：柔性衬底1、位于柔性衬底1之上的二氧化硅介质层2、介质层2上蚀刻的沟道，沟道内有金属栅电极4，位于二氧化硅介质层2之上的石墨烯由二氧化硅介质层2作支撑，石墨烯梁3的两侧沉积有源极金属电极5和漏极金属电极6。本发明的具有固支梁和本地背栅结构的柔性基板的高频高品质因素的电子学谐振器，可用于可穿戴电子，柔性无线通信设备等，并能减小寄生电容对谐振器高频信号读取的影响。

上述所述的石墨烯晶圆是在铜上采用化学气相沉积法(CVD)制备，在市场购买商品化晶圆，其型号XF013，先丰纳米材料科技有限公司。

实施例2

本实施例将实施例1中使用的柔性材料聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）换成聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，在柔性基板1上方用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层厚度200nm的二氧化硅（SiO₂）介质层2，其石墨烯沟道的宽度为2000nm；其他工艺步骤和工艺条件与实施例1相同，同样可制备成基于柔性基板的石墨烯高频高Q值的纳机电谐振器。

本发明制备的柔性基板石墨烯高频高Q值的纳机电谐振器中各层的沉积和蚀刻技术均采用常规的技术手段：PECVD等离子体增强化学气相沉积法，金属热蒸发镀膜技术，电子束光刻，CVD生长的石墨烯已有商品。本发明的创新点在于：（1）采用本地背栅结构减小栅电容对信号读取的影响；（2）首次将高Q值的石墨烯纳米机电谐振器和柔性电子技术结合起来。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了更好地理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质性的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器的制备工艺，其特征在于包括以下工艺步骤：

步骤1：在柔性基板(1)上旋涂光刻胶，利用电子束在柔性基板(1)上蚀刻出所需的栅极金属电极(4)形状；

步骤2：利用蒸发法在步骤1的柔性基板(1)表面蒸发一层金属钛和一层金-铂合金，然后除去多余的光刻胶及其上面附着的金属,只剩下柔性基板(1)上已构型的栅极金属电极(4)；

步骤3：在步骤2柔性基板(1)上用等离子体增强化学气相沉积法沉积一层二氧化硅介质层(2)，并将所述栅极金属电极(4)埋在二氧化硅介质层(2)中；

步骤4：在已制作好的石墨烯晶圆上旋涂上光刻胶，再把石墨烯晶圆放入硝酸铁溶液中刻蚀铜，刻蚀完毕后沾有石墨烯的光刻胶将浮于硝酸铁液体表面，此时用玻璃把光刻胶从硝酸铁溶液里面转移到清水里面清洗干净；

步骤5：转移石墨烯，利用步骤3中制作好的柔性基板(1)将步骤4所述光刻胶从水里捞起，并在显微镜下利用玻璃针挪动光刻胶和石墨烯，直到石墨烯位于栅极金属电极(4)正上方为止，至此石墨烯转移完毕；

步骤6：将步骤5的柔性基板(1)晾干，用电子束蚀刻光刻胶，留下栅极金属电极(4)上方的光刻胶和石墨烯，其他地方暴露出的石墨烯用氧化蚀刻法蚀刻掉；

步骤7：在步骤3所述二氧化硅介质层(2)上，且平行于栅极金属电极(4)，漏极金属电极和源极金属电极相距2000nm的距离，用电子束光刻剥离技术在二氧化硅介质层(2)上依次蒸发一层钛、一层铂和一层金作为源极金属电极(5)和漏极金属电极(6)；

步骤8：用光刻胶覆盖上述制备的整个器件，光刻暴露出步骤6中留下的石墨烯，用氢氟酸腐蚀石墨烯下方的二氧化硅介质层(2)，直达栅极金属电极(4)所在柔性基板(1)的位置，形成石墨烯沟道，使石墨烯悬挂于栅极金属电极(4)上方，成为石墨烯梁(3)，至此即制得基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器；

所述柔性基板(1)是聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二酯柔性材料。

2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于所述在柔性基板(1)上沉积的二氧化硅介质层(2)，其沉积厚度为100nm；所述石墨烯沟道的宽度即漏极金属电极和源极金属电极相距的距离为2000nm。

3.根据上述任一项权利要求所述制备工艺制备的基于柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器，其特征在于该谐振器是以柔性材料作为石墨烯纳机电谐振器衬底，即柔性基板(1)，其结构为固支梁和本地背栅结构；包括由下向上依次层叠有：柔性基板(1)、二氧化硅介质层(2)、栅极金属电极(4)、石墨烯梁(3)、源极金属电极(5)和漏极金属电极(6)；所述位于柔性基板(1)上的二氧化硅介质层(2)上蚀刻有沟道，沟道内有栅极金属电极(4)，所述石墨烯梁(3)由二氧化硅介质层(2)作支撑，并位于栅极金属电极(4)之上，且石墨烯梁(3)两侧沉积有源极金属电极(5)和漏极金属电极(6)；

所述述柔性基板(1)选自聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二酯柔性材料；

所述栅极金属电极(4)由金属钛和金-铂合金组成；

所述源极金属电极(5)和漏极金属电极(6)均由钛、铂和金组成。

4.根据权利要求3所述柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器，其特征在于所述作为支撑石墨烯梁(3)的二氧化硅介质层(2)为直接接触，石墨烯梁(3)被范德瓦尔斯力固定在二氧化硅介质层(2)上。

5.根据权利要求3所述柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器，其特征在于所述二氧化硅介质层(2)的厚度为100nm。

6.根据权利要求3所述柔性基板的石墨烯高频纳机电谐振器，其特征在于所述石墨烯沟道的宽度为2000nm。