CN104716924A - 石墨烯谐振器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石墨烯谐振器及其制作方法，所述石墨烯谐振器包括衬底、声表面波发生器及石墨烯，所述声表面波发生器设置在衬底表面，用于产生声表面波，所述衬底在所述声表面波传播方向上设置有一凹槽，所述石墨烯设置在所述凹槽上方形成悬空的石墨烯，悬空的石墨烯能够在声表面波的作用下机械振动。本发明的优点在于：采用声表面波作为激振源，石墨烯作为机械振动结构，使得本发明石墨烯谐振器具有更小的自身质量和更高的谐振频率及品质因子，且易于实现集成化，可用于极小压力传感和极小质量探测的微机电系统。

Description

石墨烯谐振器及其制作方法

技术领域

本发明涉及微/纳机电器件和信号探测领域，尤其涉及一种用于机电转换的基于声表面波激振的石墨烯谐振器及其制作方法。

背景技术

基于微机电系统（MEMS）的技术和器件近年来得到迅速的发展。目前MEMS产品已包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头，在智能手机、电器、航天产品等领域得到了广泛的应用。机械谐振器是微机电系统中用于实现机械信号和电信号相互转换的一种基本结构。机械谐振器一般是由半导体材料采用微纳米加工技术加工而成的微悬臂或微桥结构。谐振器自身的质量、谐振频率以及品质因子决定了其对压力、质量等物理信息的探测精度。MEMS器件要求更高的信号探测精度则需要谐振器具有更小的自身质量、更高的谐振频率、更大的品质因子。

    石墨烯是一种由碳原子组成的具有六边形晶格结构的新型二维材料。单层石墨烯的厚度约为0.35纳米，是世界上最薄的材料。石墨烯具有极强的机械性能，其弹性模量约为1000GPa，是目前已知的机械强度最好的材料。单层石墨烯还具有良好的导电性，其电子迁移率实验测量值超过15000cm2v-1s-1，载流子浓度可达1013cm-2，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关。体积小、强度高、导电性好等特性使得石墨烯成为一种可用于微/纳机电系统的优良材料。

    目前，悬空石墨烯的机械谐振性质已经得到了很多的研究。已有报道的石墨烯谐振器的激振方式主要包括：光学方法和电学方法。光学方法是用一束脉冲激光照射悬空石墨烯，由于石墨烯对光的热吸收而导致体积周期性的变化，当激光脉冲频率与悬空石墨烯本征频率一致时，可以实现石墨烯的谐振。电学方法：在有栅极结构的衬底上，石墨烯置于凹槽或凹坑上形成悬空结构，在石墨烯和栅极之间施加交变电压，由于静电力的作用，当交变电压的频率和悬空石墨烯的频率一致时，悬空石墨烯产生谐振。但光学方法所需光学器件和光路难以实现微小型化。电学方法需要在石墨烯上制作电极，极易造成悬空部位污染，影响谐振器的品质因子的提高。

    声表面波（surface acoustic wave, SAW）是一种能量局域在固体表面传播的机械波；声表面波在传播过程中同时具有横波分量和纵波分量，即质点的运动轨迹是同时具有平行于和垂直于固体表面的椭圆形状。由于这些特点，使得声表面波在传播时可以将能量传递给悬空的石墨烯引起石墨烯的机械振动。声表面波作为石墨烯谐振器的激振源，可以避免上面提到的电学方法和光学方法的弊端，具有体积小、容易集成等优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种石墨烯谐振器及其制作方法，其能够实现高的谐振频率及品质因子，易于实现集成化。

为了解决上述问题，本发明提供一种石墨烯谐振器，包括衬底、声表面波发生器及石墨烯，所述声表面波发生器设置在衬底表面，用于产生声表面波，所述衬底在所述声表面波传播方向上设置有一凹槽，所述石墨烯设置在所述凹槽上方形成悬空的石墨烯，悬空的石墨烯能够在声表面波的作用下机械振动。

进一步，所述衬底为压电晶体，所述声表面波发生器为叉指换能器。

进一步，所述压电晶体选自于铌酸锂、压电石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物中的一种。

进一步，所述石墨烯选自于单原子层石墨烯、多原子层石墨烯、单层氧化石墨烯以及多层氧化石墨烯中的一种。

进一步，所述石墨烯为p型或n型掺杂或表面修饰的石墨烯。

进一步，一种上述石墨烯谐振器的制作方法包括如下步骤：提供一衬底；在所述衬底表面制作声表面波发生器，所述声表面波发生器用于产生声表面波；在所述声表面波传播方向上在所述衬底表面制作一凹槽；将石墨烯置于所述凹槽上方，形成悬空的石墨烯，悬空的石墨烯能够在声表面波的作用下机械振动。

进一步，在所述衬底表面采用光刻、镀膜微加工手段制作声表面波发生器。

进一步，所述凹槽采用光刻、感应耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀微加工手段制备。

进一步，所述石墨烯使用化学气相沉积的方法制备。

进一步，所述石墨烯通过湿法或干法迁移的方法转移到凹槽上，形成悬空石墨烯。

本发明的优点在于：采用声表面波作为激振源，石墨烯作为机械振动结构，使得本发明石墨烯谐振器具有更小的自身质量和更高的谐振频率及品质因子，且易于实现集成化，可用于极小压力传感和极小质量探测的微机电系统。

附图说明

图1所示为本发明石墨烯谐振器的结构示意图；

图2所示为本发明石墨烯谐振器制作方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的石墨烯谐振器及其制作方法的具体实施方式做详细说明。

图1所示为本发明石墨烯谐振器的结构示意图。参见图1，石墨烯谐振器10包括衬底11、声表面波发生器12及石墨烯13。

在本具体实施方式中，所述衬底11为压电晶体，并且选自于铌酸锂、压电石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物以及其他压电材料中的一种。所述声表面波发生器12为叉指换能器。

所述声表面波发生器12设置在所述衬底11的表面，用于产生声表面波。

所述声表面波作为石墨烯谐振器10的激振源。所述声表面波发生器12在衬底11表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，形成声表面波。

所述衬底11在所述声表面波传播方向上设置有一凹槽14。所述凹槽14的形状没有限制。所述凹槽14可以采用光刻和离子束刻蚀的方法形成。优选地，所述凹槽设置在声表面波传播强度最强的方向上，以便于声表面波作用效果更好。

所述石墨烯13设置在所述凹槽14上方形成悬空的石墨烯，悬空的石墨烯能够在声表面波的作用下机械振动。进一步，所述石墨烯13一部分固定在凹槽14的边缘，以将石墨烯13固定，一部分在凹槽14上方形成悬空的石墨烯。石墨烯13在声表面波的激振下产生机械振动。

进一步，所述石墨烯13选自于单原子层石墨烯、多原子层石墨烯、单层氧化石墨烯以及多层氧化石墨烯中的一种。进一步，所述石墨烯13为p型或n型掺杂或表面修饰的石墨烯。

本发明还提供一种上述石墨烯谐振器10的制作方法，图2所示为所述制作方法的步骤流程图。参见图2，所述方法包括如下步骤：

步骤S21、提供一衬底11。所述衬底11可以为压电晶体，例如，选自于铌酸锂、压电石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物以及其他压电材料中的一种。

步骤S22、在所述衬底11表面制作声表面波发生器12，所述声表面波发生器12用于产生声表面波。进一步，在所述衬底11表面采用光刻、镀膜微加工等技术手段制作声表面波发生器12。

步骤S23、在所述声表面波传播方向上在所述衬底11表面制作一凹槽14。所述凹槽14采用光刻、感应耦合等离子体刻蚀（ICP刻蚀）或反应离子刻蚀（RIE刻蚀）等微加工方法制备。

步骤S24、将石墨烯13置于所述凹槽14上方，形成悬空的石墨烯，悬空的石墨烯能够在声表面波的作用下机械振动。所述石墨烯可以采用现有技术中比较成熟的工艺制备，例如。化学气相沉积工艺，在此不赘述。制备好的石墨烯13通过湿法或干法迁移的方法转移到凹槽14上，形成悬空石墨烯。

实施例

步骤1：选用铌酸锂压电晶体作为衬底。

步骤2：在铌酸锂压电晶体表面依次进行旋涂光刻胶、烘烤、曝光、显影、蒸镀金属膜、去胶，制作出声表面波发生器。

步骤3：在距离声表面波发生器约3000微米且处于声表面波传播方向的位置，使用光刻和离子束刻蚀，加工出深约500纳米，宽度约为2微米的凹槽。

步骤4：用化学气相沉积的方法在一金属衬底上生长石墨烯薄膜。关于气相化学沉积方法制备石墨烯的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。

步骤5：将热剥离胶带粘贴在长有石墨烯的衬底表面，然后置于可腐蚀所用金属衬底的溶液中，使石墨烯与金属衬底分离。

步骤6：将有热剥离胶带固定的石墨烯放置于步骤3所述压电晶体表面的凹槽位置。

步骤7：加热至热剥离胶带失去粘性的温度，将胶带剥离，形成悬空的石墨烯结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯谐振器，其特征在于，包括衬底、声表面波发生器及石墨烯，所述声表面波发生器设置在衬底表面，用于产生声表面波，所述衬底在所述声表面波传播方向上设置有一凹槽，所述石墨烯设置在所述凹槽上方形成悬空的石墨烯，悬空的石墨烯能够在声表面波的作用下机械振动。

2.根据权利要求1所述的石墨烯谐振器，其特征在于，所述衬底为压电晶体，所述声表面波发生器为叉指换能器。

3.根据权利要求2所述的石墨烯谐振器，其特征在于，所述压电晶体选自于铌酸锂、压电石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物中的一种。

4.根据权利要求1所述的石墨烯谐振器，其特征在于，所述石墨烯选自于单原子层石墨烯、多原子层石墨烯、单层氧化石墨烯以及多层氧化石墨烯中的一种。

5.根据权利要求1所述的石墨烯谐振器，其特征在于，所述石墨烯为p型或n型掺杂或表面修饰的石墨烯。

6.一种权利要求1所述的石墨烯谐振器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤： 提供一衬底； 在所述衬底表面制作声表面波发生器，所述声表面波发生器用于产生声表面波； 在所述声表面波传播方向上在所述衬底表面制作一凹槽； 将石墨烯置于所述凹槽上方，形成悬空的石墨烯，悬空的石墨烯能够在声表面波的作用下机械振动。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，在所述衬底表面采用光刻、镀膜微加工方法制作声表面波发生器。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述凹槽采用光刻、感应耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀微加工方法制备。

9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述石墨烯使用化学气相沉积的方法制备。

10.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述石墨烯通过湿法或干法迁移的方法转移到凹槽上，形成悬空石墨烯。