CN104030235A - 一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，属于纳米机电系统制备领域。在绝缘衬底上生长一层支撑体，然后图案化处理，生长一层金属催化剂层，进行图案化处理，形成支撑体‐金属催化剂‐支撑体阵列结构；支撑体和金属催化剂层的上表面和侧面用CVD法同时生长二维材料；二维材料的上表面和侧面旋涂一层聚合物，掩盖支撑体、金属催化剂层和二维材料；刻蚀聚合物直至刻蚀到支撑体和金属催化剂层的上表面出现，并将暴露出的附着在上表面的二维材料也刻蚀掉；将金属催化剂在溶液中腐蚀掉，并把聚合物溶解，释放出悬浮的垂直二维材料；干燥。本发明实现了可控地制备垂直二维材料，令使用二维材料制备3D结构的纳米机电系统成为可能。

Description

一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，属于纳米机电系统(NEMS)的制备领域。
背景技术
在过去几十年里，随着集成电路的集成度和性能的不断提高，器件的尺寸也越来越小，这催生了纳米机电系统(NEMS)技术的发展。NEMS在纳米范围内集成了电力和机械的性能，是微机电系统(MEMS)的下一步合理微型化。现在的一些二维材料(1-3个原子层)，列如石墨烯(导体)，h-BN(绝缘体)和MoS2(半导体)拥有优越的机电性能和原子级厚度，在NEMS制备领域受到越来越高的重视。以石墨烯为例，它的横向硬度达到340N/m，断裂强度为42N/m，是所有材料里最高的；它的断裂发生在断裂应变为25％的非线性弹性区域，这些数值远远地超过了目前用在NEMS中的任何其他材料；并且它还具有超高的载流子迁移率、热性能、导电性和光学透明度。这些对纳机电系统来说都是至关重要的，因此这些二维材料将成为制备NEMS器件的理想材料。例如有报道用悬浮的石墨烯薄膜制备出了两端固支梁结构的NEMS谐振器(Nano Letters10(2010)4869)，也有报道用悬浮的石墨烯薄膜制备出压力传感器的(Solid-State Electronics88(2013)89)。但目前所有制备的二维材料NEMS器件都是水平的，就像被两个桥墩支撑起来的桥一样。另一方面，未来NEMS器件必然要沿着3D的道路发展，这就要求能可控地制备出垂直方向的二维材料。基于垂直的二维材料可以制备出很多NEMS器件，比如可变电容器，它的电容随电压变化而变化，并且拥有可忽略的漏电流、小的体积等优点；还有多栅传感器、提供微生物生长的微生物环境和微生物燃料电池等十分广泛的应用。目前，有报道用等离子体增强化学气相沉积(CVD)的方法制备垂直石墨烯薄膜材料(Electrochemistry Communications25(2012)140)，但该法制备时由于不能使用催化剂而导致生长的石墨烯质量从根本上受到抑制，更重要的是，生长的垂直石墨烯薄膜是杂乱无序的，垂直薄膜的形状、厚度等参数不能根据实际应用的需要而可控地改变，即可控性差，这直接影响了它的实用性。
为解决当前生长垂直二维材料时的不可控性的问题，本发明提出了一种新的基于CVD的制备方法，垂直二维材料的形状、厚度和高度都实现了可控性生长，能根据需要制备出不同的基于垂直二维材料的NEMS器件。
本发明的目的在于，通过一种可控地制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，填补目前NEMS制造领域只存在单一的制备水平二维材料的空缺，突破技术瓶颈，进而实现制备出3D NEMS器件。
本发明是通过以下技术手段实现的：
一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1.在绝缘衬底上生长一层支撑体，然后用光刻的方法对其进行图案化处理，在绝缘衬底上生长一层金属催化剂层，用光刻的方法对其进行图案化处理，最后形成支撑体-金属催化剂-支撑体阵列结构，支撑体和金属催化剂层的厚度为20nm-2μm；
1.2.在步骤1.1所述的支撑体和金属催化剂层的上表面和侧面用CVD法同时生长二维材料；
1.3.在步骤1.2所述的二维材料的上表面和侧面旋涂一层聚合物，掩盖支撑体、金属催化剂层和二维材料；
1.4.刻蚀聚合物，使其变薄，直至刻蚀到支撑体和金属催化剂层的上表面出现，并将暴露出的附着在上表面的二维材料也刻蚀掉；
1.5.将金属催化剂在溶液中腐蚀掉，此溶液对器件的其他部分没有腐蚀作用；
1.6.把剩余的聚合物溶解掉，并将最后的样品干燥。
进一步，所述的步骤1.1的衬底是带有二氧化硅层的硅衬底。
进一步，所述的步骤1.1中的支撑体-金属催化剂-支撑体阵列结构采用石墨-铜-石墨或者金-铜-金。
进一步，所述的步骤1.1中的支撑体为金、Pt或石墨。
进一步，所述的步骤1.1中的金属催化剂层为Cu、Ni、Co或Fe。
进一步，所述的步骤1.2中的二维材料为石墨烯、h-BN或MoS2。
进一步，所述的步骤1.2中的CVD方法可选用常压CVD、低压CVD或等离子体增强CVD。
与现有的制备垂直二维材料NEMS器件的技术相比，本发明拥有如下优点：
本发明提供了一种全新的制备垂直二维材料NEMS器件的工艺方法，解决了生长垂直二维材料的不可控性问题，使垂直的二维材料可控的生长在绝缘衬底上。这里的可控主要是指二维材料的层数、化学成分和垂直方向的高度都可以根据具体的应用而不同，例如垂直二维材料的形状可以通过额外的光刻图案将蒸发的绝缘体，比如一氧化硅，部分地覆盖在铜的侧面，由于它是非催化的，二维材料正常情况下不生长在一氧化硅上，这样可以在CVD中实现对垂直二维材料的图案化。此外，二维材料的支撑结构，亦即保留在衬底上未腐蚀的支撑体，其形状、厚度也完全可以通过光刻控制。
附图说明
图1为实施本方案的支撑体-金属催化剂-支撑体阵列和衬底示意图；
图2为在支撑体-金属催化剂-支撑体阵列上生长二维材料的示意图；
图3为在二维材料表面旋涂聚合物的示意图；
图4为刻蚀聚合物直到支撑体-金属催化剂-支撑体阵列的上表面刚好出现时的示意图；
图5为金属催化剂被腐蚀掉后的示意图；
图6为溶解聚合物后释放出悬浮的垂直二维材料的示意图；
图7为制备用作培养微生物的微腔室时所用的支撑体-金属催化剂-支撑体结构俯视图；
图8为制备得到的用作培养微生物的微腔室俯视图；
其中1为衬底；2为绝缘层；3为支撑体；4为金属催化剂；5为二维材料；6为聚合物，用以保护垂直二维材料；7为制备得到的悬浮的垂直二维材料；8为绝缘衬底，包括1和2；9为微腔室。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
此处以制备用于培养微生物的微腔室为例，结合附图1-8进行说明。其中衬底和绝缘层采用硅和二氧化硅，支撑体是石墨(不宜采用重金属以免对微生物的生存带来影响)，金属催化剂是铜，二维材料是石墨烯，聚合物是PMMA。
具体工艺步骤如下：
步骤1.请参阅图1所示，在绝缘衬底(8)上用蒸发的方法生长一层支撑体石墨(3)，然后用光刻的方法对其进行图案化处理，用相同的方法在绝缘衬底(8)上生长一层金属催化剂层铜(4)，用光刻的方法对其进行图案化处理，最后形成石墨-铜-石墨阵列结构，石墨和铜的厚度为20nm-2μm。为说明简便，图中仅画出了单个的阵列结构，实际结构可以为多个，请参阅图7所示；
步骤2.请参阅图2所示，在步骤1所述的铜(4)的上表面和侧面用CVD法(可选用常压、低压或等离子体CVD)生长二维材料石墨烯(5)，它与石墨(3)自然地以共价键紧密连接；
步骤3.请参阅图3所示，在步骤2所述的石墨烯(5)的上表面和侧面旋涂一层聚合物PMMA(6)，掩盖石墨(3)、铜(4)和石墨烯(5)；
步骤4.请参阅图4所示，用氧等离子体刻蚀聚合物PMMA(6)，使其变薄，直至刻蚀到石墨(3)、铜(4)和石墨烯(5)的上表面出现，并将暴露出的附着在上表面的石墨烯也刻蚀掉；
步骤5.请参阅图5所示，将铜(4)在FeCl3溶液中腐蚀掉，此溶液对器件的其他部分没有腐蚀作用；
步骤6.请参阅图6所示，把剩余的聚合物PMMA(6)用丙酮溶解，并将最后的样品用临界点干燥机干燥，图1-6仅示意了单个腔室的制备过程，最终制成的用于培养微生物的连排微腔室请参阅图8。
图8中的五个连排微腔室中，每个腔室可以独立配置成(溶液、pH值、毒性等)不同的微环境。由于石墨烯仅是一层原子且内中含有晶界，因此某些情况下相邻腔室中的微生物可以相互交流、迁移，而且石墨烯是良导体，如果需要，还可以对石墨烯施加电信号来对微生物的电反应进行研究。这种微腔室提供了一种研究微生物群体生长过程中生态环境等对其影响的技术手段，同时也可用于电生物学的研究。
以上所述仅为本发明的一种实施范例，并非用来限定本发明的实施范围，即凡是依据本发明的权利要求范围内所做的应用，均为本发明的保护范围所覆盖。例如基于垂直二维材料的多栅传感器、可变电容器和微生物燃料电池等。

Claims (7)

1.一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1.在绝缘衬底上生长一层支撑体，然后用光刻的方法对其进行图案化处理，在绝缘衬底上生长一层金属催化剂层，用光刻的方法对其进行图案化处理，最后形成支撑体-金属催化剂-支撑体阵列结构，支撑体和金属催化剂层的厚度为20nm-2μm；
1.2.在步骤1.1所述的支撑体和金属催化剂层的上表面和侧面用CVD法同时生长二维材料；
1.3.在步骤1.2所述的二维材料的上表面和侧面旋涂一层聚合物，掩盖支撑体、金属催化剂层和二维材料；
1.4.刻蚀聚合物，使其变薄，直至刻蚀到支撑体和金属催化剂层的上表面出现，并将暴露出的附着在上表面的二维材料也刻蚀掉；
1.5.将金属催化剂在溶液中腐蚀掉，此溶液对器件的其他部分没有腐蚀作用；
1.6.把剩余的聚合物溶解掉，并将最后的样品干燥。
2.根据权利要求1所述的一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，其特征在于：所述的步骤1.1的衬底是带有二氧化硅层的硅衬底。
3.根据权利要求1所述的一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，其特征在于：所述的步骤1.1中的支撑体-金属催化剂-支撑体阵列结构采用石墨-铜-石墨或者金-铜-金。
4.根据权利要求1所述的一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，其特征在于：所述的步骤1.1中的支撑体为金、Pt或石墨。
5.根据权利要求1所述的一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，其特征在于：所述的步骤1.1中的金属催化剂层为Cu、Ni、Co或Fe。
6.根据权利要求1所述的一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，其特征在于：所述的步骤1.2中的二维材料为石墨烯、h-BN或MoS2。
7.根据权利要求1所述的一种制备基于垂直二维材料的纳米机电系统的工艺方法，其特征在于：所述的步骤1.2中的CVD方法选用常压CVD、低压CVD或等离子体增强CVD。
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