CN104166307A - 一种石墨烯薄膜的图形化方法、功能器件及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯薄膜的图形化方法、功能器件及其用途。该图形化方法首先于石墨烯薄膜的表面涂覆光敏树脂而形成保护层。接着，待图形化的形状对保护层进行区域曝光，采用显影液去除区域曝光的未曝光区所对应的保护层，外露出的石墨烯形成待刻蚀部分。将待刻蚀部分置入等离子气氛中进行等离子刻蚀。通过涂覆的光敏树脂的区域曝光得到石墨烯的待刻蚀部分以进行等离子刻蚀，由此能够实现对石墨烯的定向裁剪，具有较高的图形化精度，避免了图形边缘粗糙问题，防止单独的等离子刻蚀导致的不定位缺陷。另外，对等离子刻蚀后形成的图形化的石墨烯的所述保护层采用碱液进行浸泡，而后转移到基底上，使得图形化的石墨烯能更方便应用于功能器件等。
Description
技术领域
本发明涉及纳米半导体材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯薄膜的图形化方法、功能器件及其用途。
背景技术
石墨烯最初被英国科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov在2004年发现，是由SP2杂化碳原子构成的六边形点方阵蜂窝状的二维结构，具有很高的载流子迁移率，其本征电子迁移率可达200000cm2/Vs，在室温状态下表现出量子霍尔效应。近年来，基于Ni和Cu箔为载体通过化学气相沉积的方法成功制备出了大面积的石墨烯薄膜，为石墨烯薄膜的规模化应用提供了很好的基础。石墨烯薄膜的有效图形化直接影响了它的实际应用，因此对其有效图形化提出了很高的要求。
目前石墨烯薄膜的图形化措施中主要有以下几种：(1)、电子束平版印刷技术，专利CN 101872120A介绍了通过紫外光光刻或电子束光刻等微电子工艺在器件衬底上图形化光刻胶，在需要石墨烯的地方开出窗口，利用曝光、剥离的方法得到了图形化的石墨烯。但是该方法该技术成本高、程序缓慢、效率低下，不适用于大面积石墨烯膜的图形化制备。(2)、等离子刻蚀技术，该方法是基于等离子体刻蚀的各向异性对石墨烯薄膜的边界进行处理，根据石墨烯的Zigzag型和Armchair型边界对等离子体的敏感和稳定程度不同，从而获得Zigzag型边界的石墨烯薄膜。张广宇及其合作者首先根据刻蚀的石墨烯的六元空洞取向与石墨烯的晶向匹配性，再通过二次等离子刻蚀技术实现了对石墨烯 的加工裁剪及图案化，但是该技术不能实现石墨烯的任意裁剪且容易在不需要裁剪的位置出现不定位空洞缺陷，从而导致薄膜性能变差。
发明内容
有鉴于此，本发明一方面提供一种石墨烯薄膜的图形化方法，该图形化方法能够实现对石墨烯的定向裁剪，具有较高的图形化精度。
一种石墨烯薄膜的图形化方法，包括以下步骤：
(1)在石墨烯薄膜的表面涂覆光敏树脂，形成保护层；
(2)根据待图形化的形状对所述保护层进行区域曝光；
(3)采用显影液去除所述区域曝光的未曝光区所对应的保护层，外露出石墨烯形成待刻蚀部分；
(4)将所述待刻蚀部分置入等离子气氛中进行等离子刻蚀，以形成具有所述待图形化的形状的石墨烯。
以上图形化方法的技术方案中，待图形化的石墨烯是附着于基材，例如Cu箔、Ni箔、Au箔、Rh箔或Ru箔。出于成本考虑，优选为Cu箔或Ni箔。
其中，步骤(3)之后还包括：(5)将所述保护层采用碱液进行浸泡；(6)将经步骤(5)的石墨烯薄膜转移到基底上。容易想到的是，采用碱液进行浸泡后还包括洗涤以去除残留的碱液。
光敏树脂为在一定强度的紫外光下发生一定程度的聚合，形成了具有一定分子量的大分子或高分子。光敏树脂为环氧树脂和/或丙烯酸树脂。本发明的光敏树脂具有以下特性：不溶于弱碱溶液如碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾等，但能够溶于热的强碱溶液中，如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡。本发明中的光敏树脂可以为市售。光敏树脂的涂覆方式为丝网印刷或者静电喷 涂。
区域曝光指为选择性的对光敏树脂进行UV固化，鉴于区域曝光技术为本领域技术人员所熟知技术，在此不再赘述。值得说明的是，如何根据待图形化的形状对所述保护层进行区域曝光，其具体实现方式可以有多种，例如，在底片上设置透光带，该透光带构成图形化的形状，，然后将底片置入曝光机中进行曝光。显影液为弱碱性溶液，优选为碳酸钠、碳酸氢钠和氨水中的一种或至少两种，进一步优选为碳酸钠；显影液的质量浓度为0.5～10％，进一步优选为1～5％；显影液的温度为20～40℃，进一步优选为25～30℃。
等离子气氛为氧气氛，优选为干法氧气氛。等离子刻蚀的温度为30～120℃，优选为50～80℃。等离子刻蚀的时间为2～30min，优选为3～10min。
碱液为强碱，优选为氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钡中的一种或至少两种。碱液的质量浓度为5～40％，进一步优选为5～10％。碱液的温度为40～90℃，进一步优选为60～70℃。
转移的方式为电化学剥离转移或“泡-取”式转移方式。电化学剥离转移的具体实施方式可参照专利CN 102719803 A。“泡-取”式转移方式的具体实施方式可参照专利CN 103318881 A。在此，不再赘述。
本发明又一方面提供一种功能器件。该功能器件由石墨烯采用上项的图形化方法制备得到。
本发明再一方面提供了一种功能器件的用途。该功能器件用于生物传感器、柔性触摸屏或太阳能电池材料。
本发明首先于石墨烯薄膜的表面涂覆光敏树脂而形成保护层。接着，待图形化的形状对保护层进行区域曝光，采用显影液去除所述区域曝光的未曝光区所对应的保护层，外露出的石墨烯形成待刻蚀部分。将所述待刻蚀部分置入等 离子气氛中进行等离子刻蚀。通过涂覆的光敏树脂的区域曝光得到石墨烯的待刻蚀部分以进行等离子刻蚀，由此能够实现对石墨烯的定向裁剪，具有较高的图形化精度，避免了图形边缘粗糙问题，防止单独的等离子刻蚀导致的不定位缺陷。另外，对等离子刻蚀后形成的图形化的石墨烯的所述保护层采用碱液进行浸泡，而后转移到基底上，使得图形化的石墨烯能更方便应用于功能器件等。
附图说明
图1是本发明实施例1的示意图。
图2是本发明实施例2的示意图。
图3是本发明实施例3的示意图。
图4是本发明的图形化方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例用于石墨烯薄膜的图形化得到纳米带，按以下步骤进行：
a、将已在铜箔上制备好的单层石墨烯样品使用静电喷涂的方式在其表面喷涂一层厚度为10μm的环氧树脂，在30℃低温烘箱中去除溶剂，得到Cu/GN/环氧树脂样品A1；
b、将样品A1使用底片透光区域宽度为100μm的两条纳米带，置于曝光机上进行曝光，得到曝光后的样品B1；
c、将样品B1置于温度为25℃，浓度为1％的碳酸钠溶液中浸泡30min，将未曝光区域的环氧树脂去除，然后用去离子水清洗干净，得到样品C1；
d、将样品C1置于氧气等离子体气氛中，控制温度60℃，刻蚀3min，将未受环氧树脂保护区域的石墨烯刻蚀掉，得到样品D1；
e、将样品D1按照常规的“泡-取”式转移方式进行转移，得到宽度为100μm的两根孤立纳米带，如图1所示。
实施例2
本实施例用于石墨烯薄膜的图形化得到花型图案，按以下步骤进行：
a、将已在铜箔上制备好的单层石墨烯样品使用静电喷涂的方式在其表面喷印上一层厚度为8μm的环氧树脂，在30℃低温烘箱中去除溶剂，得到Cu/GN/环氧树脂样品A2；
b、将样品A2使用遮蔽区域为图2所示的空白区域的底片进行覆盖，然后置于曝光机上进行曝光，得到曝光后的样品B2；
c、将样品B2置于温度为28℃，浓度为1.2％的碳酸钠溶液中浸泡30min，将未曝光区域的环氧树脂去除，然后用去离子水清洗干净，得到样品C2；
d、将样品C2置于氧气等离子体气氛中，控制温度70℃，刻蚀8min，将未受环氧树脂保护区域的石墨烯刻蚀掉，得到样品D2；
e、将样品D2按照“电化学剥离”的转移方式进行转移，得到如图2所示的花型图案。
实施例3
本实施例用于石墨烯薄膜的图形化得到三角形图案按以下步骤进行：
a、将已在铜箔上制备好的单层石墨烯样品使用丝网印刷的方式在其表面印上一层厚度为5μm的环氧树脂，在30℃低温烘箱中去除溶剂，得到Cu/GN/环氧树脂样品A3；
b、将样品A3使用底片透光区域边长为200μm的三角形，置于曝光机上进行曝光，得到曝光后的样品B3；
c、将样品B3置于温度为30℃，浓度为0.8％的碳酸钠溶液中浸泡25min，将未曝光区域的环氧树脂去除，然后用去离子水清洗干净，得到样品C3；
d、将样品C3置于氧气等离子体气氛中，控制温度55℃，刻蚀6min，将未受环氧树脂保护区域的石墨烯刻蚀掉，得到样品D3；
e、将样品D3按照“电化学剥离”的转移方式进行转移，得到如图3所示三角形图案。
该方法基于图形曝光及等离子刻蚀技术，通过二者的有机结合开发了一种尺寸可控、高精度、高质量的石墨烯薄膜制备方法，即解决了电子束光刻技术存在的效率低下、成本高、程序缓慢的问题，也避免了单纯等离子刻蚀的不定位缺陷产生，实现了薄膜的尺寸定向裁剪及高精度化，为石墨烯薄膜的规模应用提供了一种有效的途径。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯薄膜的图形化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在石墨烯薄膜的表面涂覆光敏树脂，形成保护层；
(2)根据待图形化的形状对所述保护层进行区域曝光；
(3)采用显影液去除未曝光区域所对应的保护层，外露出的石墨烯形成待刻蚀部分；
(4)将所述待刻蚀部分置入等离子气氛中进行等离子刻蚀，以形成具有所述待图形化的形状的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，步骤(4)之后还包括：
(5)将所述保护层采用碱液进行浸泡；
(6)将经步骤(5)的石墨烯薄膜转移到基底上。
3.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，所述光敏树脂为环氧树脂和/或丙烯酸树脂。
4.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，所述保护层的厚度为2～20μm，优选为5～10μm。
优选地，所述光敏树脂的涂覆方式为丝网印刷或者静电喷涂。
5.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，所述显影液为弱碱性溶液，优选为碳酸钠、碳酸氢钠和氨水中的一种或至少两种，进一步优选为碳酸钠；
优选地，所述显影液的质量浓度为0.5～10％，进一步优选为1～5％；
优选地，所述显影液的温度为20～40℃，进一步优选为25～30℃。
6.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，所述等离子气氛为氧气氛；
优选地，所述等离子刻蚀的温度为30～120℃，优选为50～80℃
优选地，所述等离子刻蚀的时间为2～30min，优选为3～10min。
7.根据权利要求2所述的图形化方法，其特征在于，所述碱液为强碱，优选为氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钡中的一种或至少两种。
优选地，所述碱液的质量浓度为5～40％，进一步优选为5～10％。
优选地，所述碱液的温度为40～90℃，进一步优选为60～70℃。
8.根据权利要求2所述的图形化方法，其特征在于，所述转移的方式为电化学剥离转移或“泡-取”式转移方式。
9.一种功能器件，其特征在于，所述功能器件由石墨烯采用权利要求1至8任意一项的图形化方法制备得到。
10.一种如权利要求9所述的功能器件的用途，其特征在于，该功能器件用于生物传感器、柔性触摸屏或太阳能电池材料。
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