CN103922321B - 石墨烯的制备方法、薄膜晶体管、阵列基板及显示面板 - Google Patents

石墨烯的制备方法、薄膜晶体管、阵列基板及显示面板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯的制备方法、薄膜晶体管、阵列基板及显示面板，先在衬底基板上依次形成无定型碳薄膜和催化剂金属薄膜，然后采用准分子激光照射的方式，使催化剂金属薄膜与无定型碳薄膜在准分子激光的高温下形成共熔体，当照射结束时催化剂金属薄膜表面温度急剧下降，使无定型碳薄膜中大部分碳原子锁在催化剂金属薄膜中，只有少量碳原子在催化剂金属薄膜下表面析出，从而形成石墨烯薄膜。由于上述方法采用准分子激光照射的方法生长石墨烯薄膜，而准分子激光对位于石墨烯薄膜之下的其他膜层的影响较小，因此不需要通过转移工艺就可以在衬底基板上形成石墨烯，避免了因转移工艺所带来的对石墨烯薄膜的损坏和污染，保证了石墨烯薄膜的性能。

Description

石墨烯的制备方法、薄膜晶体管、阵列基板及显示面板
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤指一种石墨烯的制备方法、薄膜晶体管、阵列基板及显示面板。
背景技术
自从2004年英国物理学家安德烈〃海姆通过机械分离法成功获得了单层石墨烯起，石墨烯就掀起了广泛的研究热潮。石墨烯是由碳原子构成的单层六边形结构，有着非凡的光学、电学、热学和机械性能。例如石墨烯具有高达约2×105cm2/Vs的电荷迁移率，比硅的电荷迁移率快一百倍以上，并且具有约108A/cm2的电流密度，比铜的电流密度大一百倍以上。因此，石墨烯在纳米电子器件、传感器件和光电器件领域具有巨大的应用潜力。
目前，制备石墨烯的主要手段有：机械分离法、氧化还原法和化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）。CVD法是利用甲烷、乙烯等烃类气体在高温下吸附在催化剂金属衬底表面，并在金属催化作用下分解、重组形成石墨烯的方法。CVD法相比于机械分离和氧化还原法能够制备较大面积的石墨烯，因此受到科学家的格外关注。
但是CVD法本身也具有很大的缺陷。一般CVD法是在高温炉中进行的，生长结束后，生长的石墨烯完全贴附在催化剂金属上。要将这种方法制备的石墨烯实际应用在器件上还需要一个额外的转移步骤。转移通常需要在FeCl3溶液中浸泡十多个小时以刻蚀掉催化剂金属衬底，然后再用目标衬底捞取、烘干石墨烯。这个过程耗时费力，且不易控制，还会引入外来杂质，甚至引起石墨烯的破坏。而这些杂质和缺陷直接影响着石墨烯的电学性质。
因此，实现一种能够在目标衬底上直接形成石墨烯的方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种石墨烯的制备方法、薄膜晶体管、阵列基板及显示面板，用以实现在目标衬底上直接形成石墨烯。
本发明实施例提供的一种石墨烯的制备方法，包括：
在衬底基板上形成无定型碳薄膜；
在所述无定型碳薄膜上形成催化剂金属薄膜；
采用准分子激光照射形成有所述无定型碳薄膜和所述催化剂金属薄膜的衬底基板，在催化剂金属薄膜的催化作用下，所述无定型碳薄膜转换为石墨烯薄膜。
本发明实施例提供的上述石墨烯的制备方法，先在衬底基板上依次形成无定型碳薄膜和催化剂金属薄膜，然后采用准分子激光照射的方式，使催化剂金属薄膜与无定型碳薄膜在准分子激光的高温下形成共熔体，当准分子激光照射结束时，催化剂金属薄膜表面的温度急剧下降，使无定型碳薄膜中大部分的碳原子锁在催化剂金属薄膜中，只有少量碳原子在催化剂金属薄膜的下表面析出，从而形成石墨烯薄膜。本发明实施例提供的上述石墨烯的制备方法，由于是通过采用准分子激光照射的方式生长石墨烯薄膜，而准分子激光对位于石墨烯薄膜之下的其他膜层的影响较小，因此，与现有技术中先在高温炉中制备石墨烯薄膜，然后再将石墨烯薄膜从催化剂金属上剥离转移至衬底基板上的方法相比，不需要通过转移工艺就可以直接在衬底基板上形成石墨烯薄膜，从而可以避免因转移工艺所造成的对石墨烯薄膜的损坏和污染等，进而保证所制备的石墨烯薄膜的性能。
较佳地，为了在准分子激光照射时，准分子激光不影响位于无定型碳薄膜以下的其他薄层，在本发明实施例提供的上述方法中，在衬底基板上形成无定型碳薄膜之前，还包括：
在所述衬底基板上形成缓冲层。
较佳地，在本发明实施例提供的上述方法中，在形成所述石墨烯薄膜之后，还包括：
利用一第一掩膜板对所述催化剂金属薄膜和所述石墨烯薄膜进行构图，形成石墨烯和催化剂金属的图形，其中，所述石墨烯的图形和所述催化剂金属的图形相同。
较佳地，在本发明实施例提供的上述方法中，所述形成石墨烯和催化剂金属的图形之后，还包括：
利用一第二掩膜板对所述催化剂金属的图形进行二次构图，形成新的催化剂金属的图形。
较佳地，在本发明实施例提供的上述方法中，在形成所述石墨烯薄膜之后，还包括：
利用一为半色调掩模板或灰色调掩模板的第三掩膜板对所述催化剂金属薄膜和所述石墨烯薄膜进行构图，在与所述第三掩模板的完全遮光区域对应的所述催化剂金属薄膜的区域处，形成催化剂金属的图形；在与所述第三掩模板的完全遮光区域和部分遮光区域对应的所述石墨烯薄膜的区域处，形成石墨烯的图形。
较佳地，在本发明实施例提供的上述方法中，所述无定型碳薄膜的厚度为3nm～5nm。
较佳地，在本发明实施例提供的上述方法中，所述催化剂金属薄膜的厚度为100nm～300nm。
本发明实施例提供的一种薄膜晶体管，包括衬底基板，位于所述衬底基板上的有源层，栅电极，以及源漏电极；
在所述有源层之上且位于所述有源层与所述源漏电极连接区的催化剂金属；
所述有源层的材料为由无定型碳在所述催化剂金属的催化作用下经准分子激光照射后转换成的石墨烯。
本发明实施例提供的上述薄膜晶体管，有源层材料为由无定型碳在催化剂金属的催化作用下经准分子激光照射后转换成的石墨烯，该石墨烯材料的有源层是直接在衬底基板上形成的，而在现有技术中，作为有源层的石墨烯是通过转移工艺将已经形成的石墨烯薄膜转移到衬底基板上的。因此上述薄膜晶体管与现有的薄膜晶体管相比，有源层不会出现由于石墨烯的转移工艺所带来的石墨烯容易破损、或者被污染等问题，从而提高薄膜晶体管的性能。并且，由于在有源层之上且位于有源层与源漏电极连接区设置有催化剂金属，因此，在构图过程中，催化剂金属可以保护有源层免受光刻胶的污染，从而进一步提高薄膜晶体管的性能。
较佳地，为了简化制备工艺，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管中，所述催化剂金属作为所述薄膜晶体管的源漏电极，或所述催化剂金属电性连接所述薄膜晶体管的有源层和源漏电极。
较佳地，为了保证有源层的性能，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管中，还包括直接位于所述有源层下层的缓冲层。
本发明实施例提供的一种阵列基板，包括本发明实施例提供的上述任一种薄膜晶体管。
本发明实施例提供的一种显示面板，包括本发明实施例提供的上述阵列基板。
附图说明
图1为本发明实施例提供的石墨烯的制备方法的流程图；
图2a为本发明实施例提供的形成有石墨烯薄膜的衬底基板的结构示意图；
图2b为本发明实施例提供的经第一掩膜板进行构图之后的衬底基板的结构示意图；
图2c为图2b沿A-A’方向的剖面示意图；
图2d为本发明实施例提供的经第二掩膜板进行构图之后的衬底基板的结构示意图；
图2e为图2d沿A-A’方向的剖面示意图；
图3a和图3b分别为本发明实施例提供的薄膜晶体管的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的阵列基板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的一种石墨烯的制备方法、薄膜晶体管、阵列基板及显示面板的具体实施方式进行详细地说明。
附图中各部件的大小和形状不反映薄膜晶体管和阵列基板的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
本发明实施例提供的一种石墨烯的制备方法，如图1所示，可以包括以下步骤：
S101、在衬底基板上形成无定型碳薄膜；
S102、在无定型碳薄膜上形成催化剂金属薄膜；
S103、采用准分子激光照射形成有无定型碳薄膜和催化剂金属薄膜的衬底基板，在催化剂金属薄膜的催化作用下，无定型碳薄膜转换为石墨烯薄膜。
本发明实施例提供的上述石墨烯的制备方法，先在衬底基板上依次形成无定型碳薄膜和催化剂金属薄膜，然后采用准分子激光照射的方式，使催化剂金属薄膜与无定型碳薄膜在准分子激光的高温下形成共熔体，当准分子激光照射结束时，催化剂金属薄膜表面的温度急剧下降，使无定型碳薄膜中大部分的碳原子锁在催化剂金属薄膜中，只有少量碳原子在催化剂金属薄膜的下表面析出，从而形成石墨烯薄膜。本发明实施例提供的上述石墨烯的制备方法，由于是通过采用准分子激光照射的方式生长石墨烯薄膜，而准分子激光对位于石墨烯薄膜之下的其他膜层的影响较小，因此，与现有技术中先在高温炉中制备石墨烯薄膜，然后再将石墨烯薄膜从催化剂金属上剥离转移至衬底基板上的方法相比，不需要通过转移工艺就可以直接在衬底基板上形成石墨烯薄膜，从而可以避免因转移工艺所造成的对石墨烯薄膜的损坏和污染等，进而保证所制备的石墨烯薄膜的性能。
需要说明的是，在本发明是实施例提供的上述方法中，在衬底基板上形成无定型碳薄膜之前，还可以包括在衬底基板上形成其他的膜层，在此不做限定。
较佳地，为了防止准分子激光影响位于石墨烯薄膜之下的衬底基板，在本发明实施例提供的上述方法中，在步骤S101在衬底基板上形成无定型碳薄膜之前，还可以包括：在衬底基板上先形成一缓冲层。这样，由于缓冲层可以抵抗准分子激光的高温，从而对衬底基板起到保护作用，并且，缓冲层还可以防止或减少衬底基板与无定型碳以及催化剂金属之间发生反应或者材料扩散，从而保证后期形成的石墨烯薄膜不受到衬底基板的影响，保证石墨烯具有较好的电学性能。
具体地，采用本发明实施例提供的上述方法所制备的石墨烯薄膜可以应用于触摸屏的触控电极，在具体实施时，可以通过一次构图工艺在石墨烯薄膜和催化剂金属薄膜中形成由石墨烯的图形和催化剂金属的图形共同构成触控电极的图形，这样在构图时，位于石墨烯的图形上的催化剂金属的图形不仅可以保护石墨烯免受光刻胶的污染，并且可以起到减小触控电极电阻的作用。当然，在具体实施时，在制备触控电极时，为了减薄触控电极的厚度，在制作完石墨烯的图形之后，也可以将位于石墨烯的图形上的催化剂金属的图形刻蚀掉，或者，先将催化剂金属薄膜刻蚀掉在通过构图工艺形成石墨烯的图形，但是这两种方法都会增加一道刻蚀工艺，此处只是以触控电极为例进行说明，具体不限于此。
下面以采用本发明实施例提供的上述方法所制备的石墨烯薄膜制备触摸屏的触控电极为例进行说明，在本发明实施例提供的上述方法中，在步骤S103形成石墨烯薄膜之后，还可以包括：
如图2a所示，采用一第一掩模板对依次位于衬底基板101上的石墨烯薄膜和催化剂金属薄膜103进行构图（其中图2a中虚线为进行构图后所要形成的墨烯的图形和催化剂金属的图形），形成石墨烯和催化剂金属的图形，具体地，如图2b和图2c所示（其中图2b为石墨烯的图形1021和催化剂金属的图形1031的俯视图，图2c为图2b沿A-A’方向的剖面示意图），构图后形成的石墨烯的图形1021和催化剂金属的图形1031相同。
进一步地，采用本发明实施例提供的上述方法所制备的石墨烯薄膜还可以应用于薄膜晶体管。具体地，在具体实施时，在形成石墨烯和催化剂金属的图形之后，利用一第二掩膜板对如图2b所示的催化剂金属的图形1031进行二次构图，形成如图2d和2e所示新的催化剂金属的图形1032，其中，图2e为图2d沿A-A’方向的剖面示意图。其中，石墨烯的图形1021可以为薄膜晶体管中有源层的图形，新的催化剂金属的图形1032可以为薄膜晶体管中的源漏电极的图形等。需要说明的是，此处只是以应用于薄膜晶体管为例进行说明，具体不限于此。
具体地，以本发明实施例提供的上述方法所制备的石墨烯薄膜应用于薄膜晶体管为例来说明，较佳地，在形成所石墨烯薄膜之后，上述制备方法还可以直接利用一为半色调掩模板或灰色调掩模板的第三掩膜板对催化剂金属薄膜和石墨烯薄膜进行构图，在与第三掩模板的完全遮光区域对应的催化剂金属薄膜的区域处，形成催化剂金属的图形，即薄膜晶体管中的源漏电极的图形；在与第三掩模板的完全遮光区域和部分遮光区域对应的石墨烯薄膜的区域处，形成石墨烯的图形，即薄膜晶体管中有源层的图形。这与通过两次构图工艺形成有源层的图形和源漏电极的图形相比，可以节省一道构图工艺，从而可以降低制作成本。需要说明的是，此处只是以应用于薄膜晶体管为例进行说明，具体不限于此。
较佳地，在本发明实施例提供的上述方法中，无定型碳（a-C）薄膜的厚度控制在3nm～5nm之间为佳，在此不做限定。
较佳地，在本发明实施例提供的上述方法中，催化剂金属薄膜的厚度控制在100nm～300nm为佳，在此不做限定。
进一步地，在本发明实施例提供的上述方法中，催化剂金属可以为镍（Ni）、铜（Cu）、钴（Co）和铂（Pt）中之一或组合，在此不做限定。具体地，催化剂金属可以通过蒸镀、溅射、化学气相沉积或原子层积法形成，在此不做限定。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种薄膜晶体管，如图3a和图3b所示，包括衬底基板110，位于衬底基板上110的有源层120，栅电极130，以及源漏电极140；
在有源层120之上且位于有源层120与源漏电极140连接区的催化剂金属150；
有源层120的材料为由无定型碳在催化剂金属的催化作用下经准分子激光照射后转换成的石墨烯。
本发明实施例提供的上述薄膜晶体管，有源层材料为由无定型碳在催化剂金属的催化作用下经准分子激光照射后转换成的石墨烯，该石墨烯材料的有源层是直接在衬底基板上形成的，而在现有技术中，作为有源层的石墨烯是通过转移工艺将已经形成的石墨烯薄膜转移到衬底基板上的。因此上述薄膜晶体管与现有的薄膜晶体管相比，有源层不会出现由于石墨烯的转移工艺所带来的石墨烯容易破损、或者被污染等问题，从而提高薄膜晶体管的性能。并且，由于在有源层之上且位于有源层与源漏电极连接区设置有催化剂金属，因此，在构图过程中，催化剂金属可以保护有源层免受光刻胶的污染，从而进一步提高薄膜晶体管的性能。
需要说明的是，本发明实施例提供的上述薄膜晶体管可以是顶栅型结构，也可以是底栅型结构，在此不做限定。
较佳地，为了简化制备工艺，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管中，如图3b所示，催化剂金属150可以作为薄膜晶体管的源漏电极140。这样催化剂金属既可以在制备有源层时起到催化作用，又可以通过构图作为源漏电极使用。
具体地，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管中，当催化剂金属150作为薄膜晶体管的源漏电极140时，如图3b所示，薄膜晶体管可以为顶栅型结构，栅电极130可以位于源漏电极140的上方；当然，薄膜晶体管也可以为底栅型结构，即栅电极位于有源层的下方，在此不做限定。
或者，较佳地，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管中，如图3a所示，催化剂金属150可以电性连接薄膜晶体管的有源层120和源漏电极140。这样位于有源层120上方的催化剂金属150可以对有源层120起到保护作用，这是因为，位于有源层120上方的源漏电极140通过过孔与有源层120电性连接，而过孔一般需要通过刻蚀工艺来制备，因此，刻蚀过孔时可能会刻蚀到位于过孔处有源层120，从而影响薄膜晶体管的性能。
具体地，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管中，当催化剂金属150电性连接薄膜晶体管的有源层120和源漏电极140时，如图3a所示，薄膜晶体管可以为顶栅型结构，栅电极130可以位于源漏电极140的上方；当然，薄膜晶体管也可以为底栅型结构，即栅电极位于有源层的下方，在此不做限定。
进一步地，当本发明实施例提供的上述薄膜晶体管为顶栅型结构，且催化剂金属150电性连接薄膜晶体管的有源层120和源漏电极140时，如图3a所示，上述薄膜晶体管还包括位于栅电极130与源漏电极140之间的介质层180，源流电极140通过贯穿介电层180的过孔与催化剂金属150电性连接。
较佳地，为了保证有源层的电学性能，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管中，如图3a和图3b所示，还可以包括直接位于有源层120下层的缓冲层160。在有源层120的下层设置缓冲层160可以防止或减少在制备有源层时用于制备有源层的材料与位于其下层的其他膜层之间的反应或者材料扩散，从而保证形成的石墨烯材料的有源层的性质不受影响。
具体地，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管中，如图3a和图3b所示，薄膜晶体管为顶栅型结构，还包括位于栅电极130与有源层120之间的栅绝缘层170。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种阵列基板，包括本发明实施例提供的上述薄膜晶体管，该阵列基板的实施例可以参见上述薄膜晶体管的实施例，重复之处不再赘述。
具体地，本发明实施提供的上述阵列基板可以应用于液晶显示面板，当然也可以应用于有机电致发光显示面板，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的阵列基板中，如图4所示，可以具体包括：覆盖薄膜晶体管100的平坦化层200，以及位于平坦化层200之上的像素电极300，像素电极300通过贯穿平坦化层200的过孔与源漏电极140中的漏电极电性连接。
进一步地，当上述阵列基板应用于有机电致发光显示面板时，在上述阵列基板中，如图4所示，还可以包括：位于像素电极300之上的像素界定层400。
本发明实施例提供的一种石墨烯的制备方法、薄膜晶体管、阵列基板及显示面板，先在衬底基板上依次形成无定型碳薄膜和催化剂金属薄膜，然后采用准分子激光照射的方式，使催化剂金属薄膜与无定型碳薄膜在准分子激光的高温下形成共熔体，当准分子激光照射结束时，催化剂金属薄膜表面的温度急剧下降，使无定型碳薄膜中大部分的碳原子锁在催化剂金属薄膜中，只有少量碳原子在催化剂金属薄膜的下表面析出，从而形成石墨烯薄膜。本发明实施例提供的上述石墨烯的制备方法，由于是通过采用准分子激光照射的方式生长石墨烯薄膜，而准分子激光对位于石墨烯薄膜之下的其他膜层的影响较小，因此，与现有技术中先在高温炉中制备石墨烯薄膜，然后再将石墨烯薄膜从催化剂金属上剥离转移至衬底基板上的方法相比，不需要通过转移工艺就可以直接在衬底基板上形成石墨烯薄膜，从而可以避免因转移工艺所造成的对石墨烯薄膜的损坏和污染等，进而保证所制备的石墨烯薄膜的性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底基板上形成无定型碳薄膜；
在所述无定型碳薄膜上形成催化剂金属薄膜；
采用准分子激光照射形成有所述无定型碳薄膜和所述催化剂金属薄膜的衬底基板，在催化剂金属薄膜的催化作用下，所述无定型碳薄膜转换为石墨烯薄膜；
利用一第一掩膜板对所述催化剂金属薄膜和所述石墨烯薄膜进行构图，形成石墨烯和催化剂金属的图形，其中，所述石墨烯的图形和所述催化剂金属的图形相同；
或者，利用一为半色调掩模板或灰色调掩模板的第三掩膜板对所述催化剂金属薄膜和所述石墨烯薄膜进行构图，在与所述第三掩模板的完全遮光区域对应的所述催化剂金属薄膜的区域处，形成催化剂金属的图形；在与所述第三掩模板的完全遮光区域和部分遮光区域对应的所述石墨烯薄膜的区域处，形成石墨烯的图形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在衬底基板上形成无定型碳薄膜之前，还包括：
在所述衬底基板上形成缓冲层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在利用一第一掩膜板对所述催化剂金属薄膜和所述石墨烯薄膜进行构图，形成石墨烯和催化剂金属的图形之后，还包括：
利用一第二掩膜板对所述催化剂金属的图形进行二次构图，形成新的催化剂金属的图形。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述无定型碳薄膜的厚度为3nm～5nm。
5.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述催化剂金属薄膜的厚度为100nm～300nm。
6.一种薄膜晶体管，包括衬底基板，位于所述衬底基板上的有源层，栅电极，以及源漏电极，其特征在于：
在所述有源层之上且位于所述有源层与所述源漏电极连接区的催化剂金属；所述催化剂金属作为所述薄膜晶体管的源漏电极，或所述催化剂金属电性连接所述薄膜晶体管的有源层和源漏电极；
所述有源层的材料为由无定型碳在所述催化剂金属的催化作用下经准分子激光照射后转换成的石墨烯。
7.如权利要求6所述的薄膜晶体管，其特征在于，还包括直接位于所述有源层下层的缓冲层。
8.一种阵列基板，其特征在于，包括如权利要求6或7所述的薄膜晶体管。
9.一种显示面板，其特征在于，包括如权利要求8所述的阵列基板。
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