CN104752156B - 一种纳米碳质材料薄膜图案化的方法和设备 - Google Patents

一种纳米碳质材料薄膜图案化的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法，所述纳米碳质材料薄膜的待刻蚀区域在紫外光线照射下，生成活性碳原子和臭氧，臭氧分解出活性氧。具有强氧化作用的活性氧与活性碳碳原子反应，在短时间内生成挥发性的一氧化碳或二氧化碳气体，从而实现所述纳米碳质材料待刻蚀区域的刻蚀。同时，本发明所述的一种纳米碳质材料薄膜图案的设备，包括工作腔、设置在工作腔内的紫外光源和操作台；不但结构简单，而且在所述纳米碳质材料薄膜图案化的过程中安全易操作，不会产生污染，具有广阔的应用前景。

Description

一种纳米碳质材料薄膜图案化的方法和设备
技术领域
本发明涉及薄膜器件领域，具体涉及一种纳米碳质材料薄膜图案化的方法和设备。
背景技术
石墨烯、碳纳米管等纳米碳质材料具有独特的结构和性能，由纳米碳质材料组成的薄膜具有导电性好、透光性佳、原料丰富并且具有良好的卷曲性能，在薄膜器件领域具有极为广阔的应用前景。
纳米碳质薄膜在薄膜器件领域应用，不可避免需要图形化的工艺步骤。现有技术中主要采用光刻和刻蚀工艺对纳米碳质薄膜进行图案化。光刻工艺步骤繁琐，而且涉及多次清洗工序，而纳米碳质薄膜不适合使用超声清洗等冲击力较大的物理清洗方法使得光刻工艺中使用的光刻胶不易清除干净，进而对图案化后的纳米碳质薄膜的使用性能产生严重影响。另外还需要使用刻蚀设备进行刻蚀步骤，进一步增加了工艺步骤，提高了工艺成本。
发明内容
为此，本发明所要解决的是现有技术中纳米碳质薄膜图案化方法中工艺复杂、易污染的问题，提供一种无污染、简单易行的图案化方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明所述的一种纳米碳质材料薄膜图案化的方法，包括如下步骤：
S1、在待刻蚀纳米碳质材料薄膜上设置光罩；
S2、采用紫外光线透过光罩照射在待刻蚀纳米碳质材料薄膜上，得到纳米碳质材料薄膜图案。
步骤S2在有氧环境或臭氧环境中完成。
所述紫外光线的波长为10nm～240nm和240nm～400nm。
所述光罩为金属镂空光罩或曝光光罩。
所述纳米碳质材料薄膜的厚度为0.3nm～1000nm。
所述纳米碳质材料为石墨烯、碳纳米管、石墨炔、富勒烯、纳米碳球中一种或多种的组合。
本发明所述的一种纳米碳质材料薄膜图案化的设备，包括密闭或半密闭的工作腔、所述工作腔内设置有紫外光源和操作台，所述紫外光源用于发射紫外光线，所述操作台用于放置待刻蚀的纳米碳质材料薄膜。
所述工作腔内还设置有用于光路准直的光路准直设备，所述紫外光线通过所述光路准直设备照射在所述操作台上。
所述紫外光线的波长为10nm～240nm和240nm～400nm。
所述工作腔还连接设置有臭氧发生器，所述臭氧发生器向所述工作腔内通入臭氧。
所述操作台带有加热装置。
所述加热装置的加热温度为40℃～500℃。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法，所述纳米碳质材料由光罩控制图案区域和待刻蚀区域，待刻蚀区域在紫外光线照射下，纳米碳质材料中的共价键会被直接打开或切断，生成活性碳原子；同时，空气中的氧气被转化为臭氧。
同时，在紫外光线照射下，臭氧分解成氧气和活性氧。具有强氧化作用的活性氧与活性碳碳原子反应，在短时间内生成挥发性的一氧化碳或二氧化碳气体，从而实现所述纳米碳质材料待刻蚀区域的刻蚀。而图案区域由于光罩的遮盖，未受到紫外光线照射，没有活性碳原子产生，不参与氧化反应，从而使得图案区域得以保留。在本发明所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法的整个实施过程中，无废弃物产生，安全无污染；而且刻蚀过程是非接触的，不会对所述纳米碳质材料薄膜产生污染，有效保证图案化后的纳米碳质材料薄膜仍具有优异的电学和光学性能；另外，整个实施过程操作简单、处理时间短，有利于大规模的工业生产。
本发明所述的一种纳米碳质材料薄膜图案化的设备，不但结构简单，而且在所述纳米碳质材料薄膜图案化的过程中安全易操作，不会产生污染，具有广阔的应用前景。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明中实施例1所述的纳米碳质材料薄膜图案化的设备结构示意图；
图2是本发明中实施例2所述的纳米碳质材料薄膜图案化的设备结构示意图；
图3是本发明中实施例3所述的纳米碳质材料薄膜图案化的设备结构示意图；
图4是本发明中实施例4所述的纳米碳质材料薄膜图案化的设备结构示意图；
图5是本发明实施例1中所述光路准直设备的结构示意图。
图中附图标记表示为：1-工作腔、2-紫外光源、3-操作台、4-光路准直设备、41-蝇眼透镜、42-聚光透镜、5-臭氧发生器、6-基底、7-纳米碳质材料薄膜、8-光罩。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大各部件的尺寸和相对尺寸。
实施例1
本实施例提供一种纳米碳质材料薄膜图案化的设备，如图1所示，包括密闭的工作腔1、所述工作腔1内设置有紫外光源2和操作台3，所述紫外光源2用于发射波段为10～240nm和波段240～400nm的紫外光线，所述操作台3用于放置待刻蚀的纳米碳质材料薄膜7。
本实施例中，所述工作腔1内还设置有用于光路准直的光路准直设备4，所述紫外光线通过所述光路准直设备4照射在所述操作台3上。所述工作腔1还连接设置有臭氧发生器5，所述臭氧发生器5向密闭的所述工作腔1内通入臭氧。
所述光路准直设备4与曝光机类似，选自但不限于透镜、反光镜、光栅等光路准直设备中的一种或多种的组合，使得所述紫外光线垂直均匀的照射在样品上，本实施例优选为蝇眼透镜41和聚光透镜42的组合。
本实施例中，所述臭氧发生器5向所述工作腔1通入的臭氧流量为45L/min，作为本发明的其他实施例，所述臭氧发生器5还可以根据所述工作腔的密闭情况以及内容积的大小调整臭氧通入量，向所述工作腔1通入的臭氧流量还可以为1～100L/min，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
本实施例中，所述操作台3带有加热装置（图中未示出），所述加热装置的加热温度范围为40℃～500℃，本实施例优选为100℃。
由上述纳米碳质材料薄膜图案化的设备提供的一种纳米碳质材料薄膜图案化的方法，包括如下步骤：
S1、将设置有待刻蚀纳米碳质材料薄膜7的基底6放置于操作台3上，在待刻蚀纳米碳质材料薄膜上设置光罩8；
所述光罩8为金属镂空光罩或曝光光罩，如图1所示，本实施例优选曝光光罩。
所述纳米碳质材料薄膜7的厚度为0.3nm～1000nm，本实施例优选为3nm。
所述纳米碳质材料选自但不限于石墨烯、碳纳米管、石墨炔、富勒烯、纳米碳球等材料中一种或多种的组合，本实施例优选为石墨烯。
所述基板6用于承载所述纳米碳质材料薄膜7，本实施例中所述基板6为柔性塑料基板，作为本发明的其他实施例，所述基板6还可以为玻璃、金属片、硅基片、石英片、蓝宝石基片等。
S2、调节紫外光源2的发射波长，采用紫外光线透过光罩8照射在待刻蚀纳米碳质材料薄膜7上。
本实施例中，将所述紫外光源2的发射波长调整为254nm和184.9nm，所述纳米碳质材料薄膜7由光罩8控制图案区域和待刻蚀区域，待刻蚀区域在波段为184.9nm的紫外光线照射下，由于184.9nm的紫外光线光子能量为647KJ/mol，石墨烯中共价键的键能为607KJ/mol，因此，所述184.9nm的紫外光线可以直接打开或切断所述纳米碳质材料薄膜7中石墨烯中的共价键，生成活性碳原子；同时，在波长紫外光线的照射下，所述工作腔1内的空气中的氧气被转化为臭氧。
在波段为254nm的紫外光线照射下，臭氧被分解成氧气和活性氧。具有强氧化作用的活性氧与活性碳碳原子反应，在短时间内生成挥发性的一氧化碳或二氧化碳气体，从而实现所述纳米碳质材料薄膜7中待刻蚀区域的刻蚀。而图案区域由于光罩8的遮盖，未受到紫外光线照射，没有活性碳原子产生，不参与氧化反应，从而使得图案区域得以保留。在本发明所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法的整个实施过程中，无废弃物产生，安全无污染；而且刻蚀过程是非接触的，不会对所述纳米碳质材料薄膜7产生污染，有效保证图案化后的纳米碳质材料薄膜7仍具有优异的电学和光学性能；另外，整个实施过程操作简单，有利于大规模的工业生产。
步骤S2中所述紫外光线的照射时间可以根据所述纳米碳质材料薄膜7的成分、厚度、以及紫外光线的波长加以调节，通常情况下照射时间为5～60min，当所述操作台3所附带有加热装置打开时，可以加速反应进程，减少紫外光线的照射时间。
所述的一种纳米碳质材料薄膜图案化的设备，包括工作腔、设置在工作腔内的紫外光源和操作台；不但结构简单，而且在所述纳米碳质材料薄膜图案化的过程中安全易操作，不会产生污染，具有广阔的应用前景。得到纳米碳质材料薄膜图案。
实施例2
本实施例提供一种纳米碳质材料薄膜图案化的设备，如图2所示，结构同实施例1，不同的是未设置臭氧发生器5。
实施例3
本实施例提供一种纳米碳质材料薄膜图案化的设备，如图3所示，结构同实施例1，不同的是未设置光路准直设备4。
实施例4
本实施例提供一种纳米碳质材料薄膜图案化的设备，如图4所示，结构同实施例1，不同的是未设置光路准直设备4和臭氧发生器5。
为了进一步体现本发明的实施效果，在本实施例中将紫外光线的照射时间设置为0～42min，以测定待刻蚀区域的电阻。
对比例1
本对比例使用实施例4的设备进行纳米碳质材料薄膜图案化。唯一不同的是在纳米碳质材料薄膜7上方设置有遮挡紫外线的挡板，同时紫外光照射空气产生的臭氧和活性氧可以在腔体自由流动；即所述纳米碳质材料薄膜7图案化时，未经过紫外光线的照射，但是薄膜表面处于富活性氧的环境。
对比例2
本对比例使用实施例4的设备进行纳米碳质材料薄膜图案化。唯一不同的是将纳米碳质材料薄膜7置于一个充满氮气的密封透明玻璃容器中，即所述纳米碳质材料薄膜图案化时，经过紫外光线的照射，但是薄膜表面不存在活性氧或者臭氧。
通过方块电阻测试仪对实施例4、对比例1和2中所述的纳米碳质材料薄膜7的刻蚀区域进行测试，测试结果如下表所示：
由上表数据可以看出，经过42分钟的处理，对比例1和对比例2中的纳米碳质薄膜7刻蚀区域的电阻并没有明显增大；而实施例4中所述的纳米碳质薄膜7的刻蚀区域的电阻逐渐有了大幅提升，到42分钟时刻蚀区域几乎绝缘。这就表明，对比例1和对比例2中所述的纳米碳质薄膜7未受到有效的刻蚀，而实施例4中所述的纳米碳质薄膜7已经有效刻蚀，达到图案化要求；所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法的整个实施过程中，无废弃物产生，安全无污染；而且刻蚀过程是非接触的，不会对所述纳米碳质材料薄膜7产生污染，有效保证图案化后的纳米碳质材料薄膜7仍具有优异的电学和光学性能；另外，整个实施过程操作简单、处理时间短，有利于大规模的工业生产。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种纳米碳质材料薄膜图案化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在待刻蚀纳米碳质材料薄膜上设置光罩；
S2、采用紫外光线透过光罩照射在待刻蚀纳米碳质材料薄膜上，得到纳米碳质材料薄膜图案；
所述步骤S2在有氧环境或臭氧环境中完成。
2.根据权利要求1所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法，其特征在于，所述紫外光线的波长为10nm～240nm和240nm～400nm。
3.根据权利要求1或2所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法，其特征在于，所述光罩为金属镂空光罩或曝光光罩。
4.根据权利要求3所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法，其特征在于，所述纳米碳质材料薄膜的厚度为0.3nm～1000nm。
5.根据权利要求4所述的纳米碳质材料薄膜图案化的方法，其特征在于，所述纳米碳质材料为石墨烯、碳纳米管、石墨炔、富勒烯、纳米碳球中一种或多种的组合。
6.一种纳米碳质材料薄膜图案化的设备，其特征在于，包括密闭或半密闭的工作腔、所述工作腔内设置有紫外光源和操作台，所述紫外光源用于发射紫外光线，所述操作台用于放置待刻蚀的纳米碳质材料薄膜，所述纳米碳质材料薄膜上设置光罩；所述工作腔还连接设置有臭氧发生器，所述臭氧发生器向所述工作腔内通入臭氧。
7.根据权利要求6所述的纳米碳质材料薄膜图案化的设备，其特征在于，所述工作腔内还设置有用于光路准直的光路准直设备，所述紫外光线通过所述光路准直设备照射在所述操作台上。
8.根据权利要求6所述的纳米碳质材料薄膜图案化的设备，其特征在于，所述紫外光线的波长为10nm～240nm和240nm～400nm。
9.根据权利要求6所述的纳米碳质材料薄膜图案化的设备，其特征在于，所述操作台带有加热装置。
10.根据权利要求9所述的纳米碳质材料薄膜图案化的设备，其特征在于，所述加热装置的加热温度为40℃～500℃。
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