CN105070658B - 石墨烯图案及其形成方法、显示基板制备方法及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种石墨烯图案及其形成方法、显示基板制备方法及显示装置，涉及显示技术领域，不受限于激光设备的限定，图案线宽更为精细；且处理时间短，生产效率高、适用于大批量生产。该方法包括：在基底层上形成图案层；图案层的图案与待形成的石墨烯图案相一致；形成位于图案层上方且覆盖基底层的石墨烯膜层；将包括有基底层、图案层以及石墨烯膜层的层级结构与目标衬底层相贴合，形成复合层；将复合层浸泡在刻蚀液中以去除图案层，形成与基底层以及其他部分相分离的贴合在目标衬底层表面的石墨烯图案。用于石墨烯图案及包括该石墨烯图案的显示基板、显示装置的制备。

Description

石墨烯图案及其形成方法、显示基板制备方法及显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种石墨烯图案及其形成方法、显示基板制备方法及显示装置。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种仅有一个碳原子厚度的二维材料，其具有由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢状晶格结构。由于石墨烯独特的晶格结构，其拥有较硅(Si)高100倍的电子迁移率、较铜(Cu)高100倍的电流密度，不仅可作为现有导电材料更优的替代材料，还可应用于薄膜晶体管等电子元件中，因此备受广泛的瞩目。
由于石墨烯结构较为脆弱，容易受到图案化工艺中光刻胶及显影液的污染，使其性能受到影响，因此，现有技术对石墨烯进行图案化的方法主要是采用激光直写技术，即利用激光光斑的高能量对石墨烯进行照射烧灼，以使特定区域转化为气态的二氧化碳而去除，以获得需要的图案。
然而，受限于激光设备以及激光光斑的限制(光斑的直径无法制作的非常微小)，采用激光直写技术获得的石墨烯图案的线宽(图案的最小尺寸)无法做到20μm以下，因此对石墨烯难以进行更为精细化的构图，无法满足目前电子制备领域图案精细化的发展要求；此外，激光直写技术还存在激光照射工艺处理时间长，生产效率低、不适用于大批量生产的缺点。
发明内容
鉴于此，为解决现有技术的问题，本发明的实施例提供一种石墨烯图案及其形成方法、显示基板制备方法及显示装置，该石墨烯图案的形成方法对石墨烯的图案化过程不采用激光直写技术，不受限于激光设备的限定，可获得更精细的图案线宽；且工艺处理时间短，生产效率高、适用于大批量生产。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面、本发明实施例提供了一种石墨烯图案的形成方法，所述 方法包括：在基底层上形成图案层；其中，所述图案层的图案与待形成的石墨烯图案相一致；采用化学成膜法，形成位于所述图案层上方且覆盖所述基底层的石墨烯膜层；其中，所述石墨烯膜层的厚度小于所述图案层的厚度；将包括有所述基底层、所述图案层以及所述石墨烯膜层的层级结构与目标衬底层相贴合，形成复合层；其中，所述目标衬底层与所述石墨烯膜层覆盖所述图案层的第一部分相接触，所述目标衬底层与所述石墨烯膜层的其他部分不接触；将所述复合层浸泡在刻蚀液中以去除所述图案层，形成与所述基底层以及所述其他部分相分离的贴合在所述目标衬底层表面的石墨烯图案。
可选的，所述在基底层上形成图案层，包括：采用构图工艺，在氧化硅基底层上形成金属图案层；其中，构成所述金属图案层的金属元素包括：Cu、Fe、Ni、Co、Ru、Au、Ag中的至少一种。
优选的，所述刻蚀液为酸性刻蚀液。
进一步优选的，所述酸性刻蚀液包括：硝酸、硫酸、磷酸、盐酸以及乙酸中的至少一种。
可选的，在所述采用化学成膜法，形成覆盖所述图案层与所述暴露区的石墨烯膜层的步骤之前，所述方法还包括：对氧化硅基底层待覆盖石墨烯膜层的一侧表面进行氢化处理，以使氢原子与所述氧化硅基底层表面上的至少部分硅悬挂键相结合。
可选的，所述化学成膜法包括：化学气相沉积法、碳化硅热解外延生长法以及化学氧化还原法中的任一种。
可选的，采用热压法，将包括有所述基底层、所述图案层以及所述石墨烯膜层的层级结构与目标衬底层相贴合，形成复合层；其中，所述目标衬底层采用柔性材料构成。
优选的，所述柔性材料包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺以及聚醚砜树脂中的至少一种。
进一步的，本发明实施例还提供了一种石墨烯图案，所述石墨烯图案采用上述任一项所述的方法形成。
另一方面、本发明实施例还提供了一种显示基板制备方法，所述制备方法包括形成导电图案的步骤；所述导电图案为采用上述任一项 所述的方法形成的石墨烯图案。
再一方面、本发明实施例还提供了一种显示装置，所述显示装置包括采用上述所述的方法形成的显示基板。
基于此，采用本发明实施例提供的上述石墨烯图案的形成方法，由于图案层的图案化的过程不受到激光设备及光斑直径的限定，其图案线宽可以制作地更为精细，因此最终获得的石墨烯图案也具有更精细的图案线宽，满足目前电子制备领域图案精细化的发展要求；并且，由于对石墨烯膜层不需要进行构图工艺即可形成特定的图案，工艺处理时间短，生产效率高、适用于大批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种石墨烯图案的形成方法具体流程示意图；
图2为图1中步骤S01的具体结构示意图；
图3为图1中步骤S02的具体结构示意图；
图4为图1中步骤S03的具体结构示意图；
图5为图1中步骤S04的具体结构示意图。
附图说明：
01-石墨烯图案；10-基底层；10a-暴露区；20-图案层；30-石墨烯膜层；31-第一部分；32-其他部分；40-目标衬底层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的 范围。
需要指出的是，除非另有定义，本发明实施例中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
并且，本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供了一种石墨烯图案01的形成方法，该方法包括：
S01、如图2所示，在基底层10上形成图案层20；其中，图案层20的图案与待形成的石墨烯图案01(图中未标示出)相一致；
S02、如图3所示，采用化学成膜法，形成位于图案层20上方且覆盖基底层10的石墨烯膜层30；其中，石墨烯膜层30的厚度小于图案层20的厚度；
S03、如图4所示，将包括有基底层10、图案层20以及石墨烯膜层30的层级结构与目标衬底层40相贴合，形成复合层；其中，目标衬底层40与石墨烯膜层30覆盖图案层20的第一部分31相接触，目标衬底层40与石墨烯膜层30的其他部分32不接触；
S04、如图5所示，将复合层浸泡在刻蚀液中以去除图案层20，形成与基底层10以及其他部分32相分离的贴合在目标衬底层40表面的石墨烯图案01。
需要说明的是，第一、参考图2所示，在上述步骤S01中，由于图案层20是具有一定图案的，其露出基底层10的区域即为暴露区10a。石墨烯膜层30的其他部分32即是覆盖在暴露区10a的部分。
这里，在基底层10上形成图案层20的具体工艺可沿用现有技术， 例如是采用湿法或干法刻蚀得到具有预设图案的图案层20。由于在之后的步骤S04中，刻蚀液可将图案层20腐蚀去除而留下石墨烯图案01，因此，图案层20的材料必然是与石墨烯膜层材料不同，即图案层20不会是由碳材料构成的。因此，对图案层20进行图案化的过程不受激光设备及光斑直径的限定，图案层20的线宽可以制作地更为精细。
第二、石墨烯的现有制备方法可分为物理法和化学成膜法。其中，物理法是采用如机械剥离的方法从石墨上获得单层石墨烯，但这种方法获得的是直接的石墨烯，无法形成在上述的图案层与暴露区表面；且物理法只能获得少量的石墨烯，不能大规模生产。
因此上述步骤S02采用化学成膜法，例如可以为化学气相沉积法、碳化硅热解外延生长法以及化学氧化还原法中的任一种，具体成膜工艺过程可沿用现有技术，在此不作赘述。
这里，在上述步骤S02中，石墨烯膜层30的厚度要小于图案层20的厚度，是为了使图案层20的厚度方向上的侧面暴露出来，以使得在后续的刻蚀步骤中得以刻蚀去除。
第三、在上述步骤S03中，“贴合”是指采用热压或胶体粘结等工艺使两者相互接触并固定在一起。其中，步骤S03的具体操作过程可以为，参考图4中(a)部分所示，将目标衬底层40放置在载台(例如是进行热压的裱机内部的载台)等平坦表面上，将上述的层级结构具有石墨烯膜层30的一侧朝向位于下方的目标衬底层40进行贴合。由于目标衬底层40厚度均匀，其表面也是平坦的，并且图案层20也是具有一定厚度的，因此，参考图4中(b)部分所示，在使得上述层级结构具有石墨烯膜层30的一侧与目标衬底层40相贴合后，石墨烯膜层30覆盖在暴露区10a的其他部分32是不会与目标衬底层40相接触的，这样一来，通过之后的步骤S04即可获得留在目标衬底层40表面的石墨烯膜层30中的第一部分31，即石墨烯图案01。
并且，在上述步骤S03中，目标衬底层40例如可以采用柔性材料或刚性材料构成，以满足后续应用于柔性显示基板或刚性显示基板的工艺要求，本发明实施例对此不作限定。
第四、在上述步骤S04中，图案层20在刻蚀液的浸泡腐蚀作用 下被去除，根据图案层20材料的不同，刻蚀液具体可以为酸性或碱性溶液。并且，由于经过刻蚀液的浸泡腐蚀后可获得贴合在目标衬底层40表面的石墨烯图案01，因此，选择的刻蚀液必然是对目标衬底层40和石墨烯膜层30不产生腐蚀作用的。
并且，在上述步骤S04之后，根据石墨烯图案01应用于的显示基板的具体结构要求，可以通过图案转印等工艺将贴合有石墨烯图案01的目标衬底层40去除，以使得石墨烯图案01转印到相应的基板表面；或者，也可以保留目标衬底层40，即目标衬底层40可作为显示基板的衬底基板或某一绝缘层等，本发明实施例对此不作限定。
基于此，采用本发明实施例提供的上述石墨烯图案01的形成方法，由于图案层20的图案化的过程不受到激光设备及光斑直径的限定，其图案线宽可以制作地更为精细，因此最终获得的石墨烯图案01也具有更精细的图案线宽，满足目前电子制备领域图案精细化的发展要求；并且，由于石墨烯膜层30不需要进行构图工艺即可形成特定的图案，工艺处理时间短，生产效率高、适用于大批量生产。
这里，以图案层20材料由Cu或Cu合金为例，采用湿法刻蚀获得的Cu图案层20的图案线宽可做到3μm左右，因而通过后续步骤S02～S04获得的石墨烯图案01的线宽也仅为3μm左右，显著小于现有技术采用激光直写技术获得的20μm的最小线宽。
在上述基础上，上述步骤S01具体包括：
采用构图工艺，在氧化硅基底层10上形成金属图案层20；其中，构成金属图案层20的金属元素包括：Cu、Fe、Ni、Co、Ru、Au、Ag中的至少一种。
其中，典型的构图工艺是指应用一次掩模板，通过光刻胶曝光、显影、刻蚀、剥离去除光刻胶的工艺，具体工艺步骤可参见现有技术，本发明实施例对此不作限定。
这里，氧化硅基底层10例如由SiO、SiO2、Si2O6或其组合构成，具体硅-氧组分不作限定。
金属图案层20例如可以为上述金属元素Cu、Fe、Ni、Co、Ru、Au、Ag构成的金属单质和/或合金。由于上述金属单质和/或合金与 石墨烯晶格匹配度高，有利于在金属图案层20上获得具有连续、低缺陷密度、微米尺度的单层碳结构的石墨烯，即获得的石墨烯图案01具有良好的结构及电性能；并且，这类金属单质和/或合金熔点高、热膨胀系数小，不易受到石墨烯膜层30成膜时的高温影响。
在上述基础上，由于金属图案层20为上述的金属单质和/或合金，因此优选地，刻蚀液为酸性刻蚀液。例如，酸性刻蚀液具体包括：硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、盐酸(HCl)以及乙酸(CH3COOH)中的至少一种。
这里，相比与碱性刻蚀液，选择酸性刻蚀液一方面是对金属图案层20的溶解腐蚀效率高，避免在浸泡后在石墨烯图案01表面还残存有未被刻蚀的金属图案层20。
更为重要的是，虽然石墨烯自身的电子迁移率高(即电阻率ρ小)，但由于上述的石墨烯图案01的厚度t通常都非常小，导致其方块电阻Rs(表达式为Rs＝ρ/t)较大。而酸性刻蚀液中的酸根离子在石墨烯膜层30表面可发生离子络合、交换等化学反应，使石墨烯膜层30表面的电化学活性更为活泼，即电子迁移率进一步提高，降低方块电阻Rs；因此，采用酸性刻蚀液可在腐蚀去除金属图案层20的同时，进一步降低石墨烯膜层30的方块电阻值。
在上述基础上，在进行上述步骤S02之前，本发明实施例提供的上述形成方法还包括以下步骤：
对氧化硅基底层10待覆盖石墨烯膜层30的一侧表面进行氢化处理，以使氢原子与氧化硅基底层10表面上的至少部分硅悬挂键相结合。
这里，由于在后续的步骤S04中，图案层20在刻蚀液的浸泡刻蚀下发生腐蚀而被去除，为了避免位于暴露区10a的石墨烯膜层30的其他部分32受到图案层20去除过程的影响而转移到目标衬底层40上，影响最终获得的石墨烯图案01的线宽精度。对氧化硅基底层10进行氢化处理可使氢原子(H)与氧化硅基底层表面上的至少部分硅悬挂键相结合，在暴露区10a与石墨烯膜层30相接触的界面处形成了很强的Si-C共价键，从而使得覆盖暴露区10a的石墨烯膜层30与氧化硅基底层10牢固结合而不发生脱落，避免这部分石墨烯膜层 也转移到目标衬底层40上，影响石墨烯图案01的线宽精度。
在上述基础上，上述步骤S03具体包括：
采用热压法，将包括有基底层10、图案层20以及石墨烯膜层30的层级结构中具有石墨烯膜层30的一侧朝向目标衬底层40进行贴合，形成复合层；其中，目标衬底层40采用柔性材料构成。
这里，柔性材料在热压时易于与石墨烯膜层30发生粘结而使上述的层级结构与目标衬底层40贴合固定在一起，贴合过程简便快捷，且结合地较为牢固，在浸泡刻蚀液的过程中不易发生脱离。
其中，柔性材料可以包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，简称为PET)、聚碳酸酯(polycarbonate，简称为PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简称为PMMA)、聚酰亚胺(polyimide，简称为PI)以及聚醚砜树脂(polyethersulfone resin，简称为PES)中的至少一种。
在上述基础上，针对上述步骤S02中采用化学成膜法形成石墨烯膜层30，下面提供具体实施例以详细描述上述的化学成膜法：
方法一、化学气相沉积法
将形成有图案层20的基底层10放置在真空反应腔体内，真空条件为1×10-4Pa，反应温度为873～1073K。采用乙醇溶液(分析纯)为反应原料，氩气(Ar)为携载气体。将氩气通入流量计，以一定的流速通入乙醇溶液，乙醇分子在氩气的携载下进入真空反应腔体内。在高温作用下，乙醇分子分解为C、H原子，C原子通过在图案层20以及基底层10的暴露区10a表面发生吸附、迁移等过程沉积形成石墨烯膜层30。
方法二、碳化硅热解外延生长法
在形成有图案层20的基底层10上沉积一层SiC，对SiC表面进行氧化或氢气(H2)刻蚀，之后在高真空条件下(1.32×10-8Pa)对SiC进行电子轰击并加热到1000℃以去除氧化物，用俄歇电子能谱(Auger electron spectroscopy，简称为AES)检测SiC表面氧化物的去除情况，氧化物被完全去除后将SiC加热至1250～1450℃即可在图案层20以及基底层10的暴露区10a表面形成石墨烯膜层30。
方法三、化学氧化还原法
在形成有图案层20的基底层10上沉积一层石墨，加入强氧化剂对石墨进行氧化处理，通过超声剥离在图案层20以及基底层10的暴露区10a表面形成氧化石墨烯，之后加入还原剂对氧化石墨烯进行还原，从而得到石墨烯膜层30。
在上述基板上进一步的，本发明实施例还提供了一种采用上述步骤S01～S04形成的石墨烯图案01。
进一步的，本发明实施例还提供了一种显示基板的制备方法，该制备方法包括形成导电图案的步骤；该导电图案为采用上述任一项所述的方法形成的石墨烯图案01。
这里，上述的导电图案例如可以为阵列基板中的数据线图案、栅线图案、公共电极线图案；或者也可以为触摸显示基板中连接感应电极的桥接电极图案，具体不作限定。
进一步的，本发明实施例还提供了一种显示装置，包括上述的显示基板。
上述显示装置具体可以为液晶显示(Liquid Crystal Display，简称LCD)面板、液晶电视、有机电致发光显示(Organic Light-Emitting Display，简称OLED)面板、数码相框、手机、平板电脑等具有任何显示功能的产品或者部件。
其中，液晶显示面板或液晶电视可以为ADS(Advanced Super DimensionalSwitching，高级超维场转换技术)型、IPS(In Plane Switch，横向电场效应)型、TN型(Twist Nematic，扭曲向列型)以及VA型(Vertical Align，垂直排列型)中的任一种。
需要说明的是，本发明所有附图是上述的石墨烯图案形成方法简略的示意图，只为清楚描述本方案体现了与发明点相关的结构，对于其他的与发明点无关的结构是现有结构，在附图中并未体现或只体现部分。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种石墨烯图案的形成方法，其特征在于，所述方法包括：
在基底层上形成图案层；其中，所述图案层的图案与待形成的石墨烯图案相一致；
采用化学成膜法，形成位于所述图案层上方且覆盖所述基底层的石墨烯膜层；其中，所述石墨烯膜层的厚度小于所述图案层的厚度；
将包括有所述基底层、所述图案层以及所述石墨烯膜层的层级结构与目标衬底层相贴合，形成复合层；其中，所述目标衬底层与所述石墨烯膜层覆盖所述图案层的第一部分相接触，所述目标衬底层与所述石墨烯膜层的其他部分不接触；
将所述复合层浸泡在刻蚀液中以去除所述图案层，形成与所述基底层以及所述其他部分相分离的贴合在所述目标衬底层表面的石墨烯图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在基底层上形成图案层，包括：
采用构图工艺，在氧化硅基底层上形成金属图案层；
其中，构成所述金属图案层的金属元素包括：Cu、Fe、Ni、Co、Ru、Au、Ag中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述刻蚀液为酸性刻蚀液。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述酸性刻蚀液包括：硝酸、硫酸、磷酸、盐酸以及乙酸中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述采用化学成膜法，形成位于所述图案层上方且覆盖所述基底层的石墨烯膜层的步骤之前，所述方法还包括：
对氧化硅基底层待覆盖石墨烯膜层的一侧表面进行氢化处理，以使氢原子与所述氧化硅基底层表面上的至少部分硅悬挂键相结合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化学成膜法包括：化学气相沉积法、碳化硅热解外延生长法以及化学氧化还原法中的任一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用热压法，将包括有所述基底层、所述图案层以及所述石墨烯膜层的层级结构与目标衬底层相贴合，形成复合层；
其中，所述目标衬底层采用柔性材料构成。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述柔性材料包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺以及聚醚砜树脂中的至少一种。
9.一种石墨烯图案，其特征在于，所述石墨烯图案采用上述权利要求1至8任一项所述的方法形成。
10.一种显示基板制备方法，其特征在于，所述制备方法包括形成导电图案的步骤；所述导电图案为采用权利要求1至8任一项所述的方法形成的石墨烯图案。
11.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置包括采用如权利要求10所述的方法形成的显示基板。
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