CN105399049A - 一种二维原子材料的微纳结构及图形化制备方法 - Google Patents

一种二维原子材料的微纳结构及图形化制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微纳结构制备与加工技术领域，公开了一种二维原子材料的微纳结构及图形化制备方法，内容如下：将二维原子材料置于衬底上，在一定真空度下用电子束辐照二维原子材料表面，然后利用等离子体刻蚀二维原子材料实现图形化；所述电子束能量和剂量范围分别为100？eV～30？keV和102～108？μC/cm2，所述真空度为1×10-7～5×10-3？Pa。该方法无需经历湿法过程，制备的图形尺寸小，可以对平铺在衬底或悬空或覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上的二维原子材料进行加工。

Description

一种二维原子材料的微纳结构及图形化制备方法
技术领域
本发明涉及微纳结构制备与加工技术领域，更具体地，涉及一种二维原子材料的微纳结构及图形化制备方法。
背景技术
以石墨烯、二硫化钼、黑磷为代表的二维原子材料具有有别于体材的优异物性。例如石墨烯具有高电子迁移率、高热导率、高的抗拉强度和光透过率；二硫化钼具有大的激子结合能，其带隙对应于可见光波段的发光。上述二维原子材料已在高性能场效应晶体管、高频振荡器、有源纳米光子器件、气体传感器、真空纳米电子器件上得到应用尝试。此外，由不同的二维原子材料沿表面法线方向层层堆叠形成的异质结构也具有优异的光电特性，在透明、柔性电子器件和光电器件上有很好的应用前景。实现二维原子材料的精确图形化及精密加工，是制作二维原子材料微纳器件的关键。目前，二维原子材料图形化及加工方法主要采用涂胶光刻法，即在材料表面旋涂光刻胶，通过对光刻胶进行曝光定义图形，并以光刻胶图形为掩膜，辅以等离子体刻蚀实现图形化及加工。上述方法难以实现小特征尺寸微纳结构的制作，且无法应用于悬空或附着在凸起或下凹的微纳结构上的二维原子材料的图形化和加工。
针对上述问题，研究者们发展了高能电子（\离子）束刻蚀、激光刻蚀、电子束诱导等离子体刻蚀、AFM纳米光刻等方法对二维原子材料进行图形化加工。高能电子\离子束刻蚀是采用高能量的电子（\离子）束轰击移除材料中的原子；这种方法能够获得小特征尺寸（5～10nm）的图形，但由于束流能量密度过大，在加工的过程中容易对二维原子材料造成晶格损伤，且加工速度慢。激光刻蚀是用激光光子束烧蚀样品；利用此方法制作的图形的特征尺寸较大，且存在热效应，损坏晶体结构。电子束诱导等离子体刻蚀的方法是氧气气氛中采用电子束诱导产生局域等离子体，实现对石墨烯的刻蚀；这种方法的缺点是刻蚀的效率较低。AFM纳米光刻的方法是利用AFM探针接触二维原子材料，通过机械力的作用“刮”除二维原子材料；这种方法的缺点是制作图形的灵活性差，不适用于悬空或非平面样品的加工。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，提供一种二维原子材料的图形化方法。
本发明的第二个目的是提供上述方法制备得到的二维原子材料微纳结构。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：
一种二维原子材料的图形化方法，是将二维原子材料置于衬底上，在一定真空度下用电子束辐照二维原子材料表面，然后利用等离子体刻蚀二维原子材料实现图形化；即利用图形发生器控制电子束的偏转以及工作台的移动，使电子束辐照在样品上，且轨迹为所设计的图案；随后利用等离子体刻蚀二维原子材料实现图形化；所述电子束能量和剂量范围分别为100eV～30keV和102～108μC/cm2，所述真空度为1×10-7Pa～5×10-3Pa。
本发明方法的原理：电子束辐照过程中，通过合理设置电子束辐照的能量、剂量及腔体气压（即真空度），可获得两种不同的效果。第一种效果是电子束辐照导致二维原子材料中形成晶格缺陷或者造成原子排列无序化。存在缺陷或无序化的原子排列的二维原子材料容易被刻蚀，而其它位置的二维原子材料被保留。第二种效果是电子束诱导真空腔体中或者样品表面残留的碳氢化合物生成固态的非晶碳。非晶碳的厚度与轰击样品表面单位面积内的电子数（即电子束的剂量）成正比。一定厚度的非晶碳可以阻挡等离子体对其下方的二维原子材料的刻蚀。根据上述两种过程，可形成两种不同的图形化效果。
实现电子束辐照位置的二维原子材料被去除，其它位置的二维原子材料被保留的效果，关键在于：1、高的腔体真空度（即低的工作气压），使电子束辐照位置没有或仅有极少的非晶碳产生；2、较高能量和大剂量的电子束的辐照破坏二维材料的晶体结构。经过摸索，当电子束辐照的能量在20～30keV范围，剂量在106μC/cm2～108μC/cm2的范围，腔体气压在1×10-7～2×10-4Pa时，此时在二维原子材料上没有非晶碳产生，或者仅有极少的非晶碳产生，且厚度不足以阻挡等离子体与二维原子材料的反应，电子束辐照区域的二维原子材料被刻蚀，其它位置的二维原子材料保留。
实现电子束辐照位置的二维原子材料被保留，其它位置的二维原子材料被去除的效果，关键在于控制生成的非晶碳的厚度，使二维原子材料经过等离子体刻蚀后表面没有或只有少量残留的非晶碳。尽可能减少非晶碳残留的原因在于二维原子材料的比表面积大，表面的吸附原子会影响其本征特性。对于其它的块材或者薄膜材料，一般通过刻蚀的方法去除图形化后残留的非晶碳。然而二维原子材料只有十个原子层以内的厚度，抗刻蚀能力差，不能采用过刻的方式去除残留的非晶碳。因此精确控制生成的非晶碳的厚度非常重要。经过摸索，非晶碳的厚度应该控制在1～50nm的范围。生成该厚度范围的非晶碳对应的电子束能量在100eV～30keV范围，剂量在102～108μC/cm2，腔体气压在2×10-4Pa～5×10-3Pa（不包括2×10-4Pa）。
本发明采用电子束直接辐照二维原子材料表面制备图形，没有引入光刻胶，因此减小了电子束的散射作用，可以用来制作小尺寸的图形。
本发明采用全干法的工艺，避免溶液的表面张力对二维原子材料的结构造成破坏，可用于实现悬空的二维原子材料的图形化。此外，通过动态调节电子束聚焦的位置，可以实现覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上的二维原子材料的图形化。
优选地，所述二维原子材料所述二维原子材料选自石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、黑磷、二硫化钛、二硒化钼、二硒化钨、碲化铋、碲化锑、氮化硼中的一种或多种。
若是选择多种可以是石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、黑磷、二硫化钛、二硒化钼、二硒化钨、碲化铋、碲化锑、氮化硼中的任意几种沿表面法线方向层层堆叠后形成的异质结构。
优选地，所述二维原子材料的原子层数为1～10层。
优选地，本发明上述方法是对平铺在衬底上，或悬空，或覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上的二维原子材料进行图形化。
更优选地，所述覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上的二维原子材料的最高点与最低点间距离不超过10μm。
优选地，所述等离子体刻蚀的条件为：产生等离子体的射频源功率为6～60W，通入气体的流量为0.1～300sccm，腔体气压为10-3～1Torr，刻蚀时间5s～30min。
优选地，所述等离子体可以是氧等离子体、也可以是氮等离子体、也可以是氩等离子体、也可以是空气被电离的混合的等离子体气氛。
本发明还提供上述方法制备得到的图形化二维原子材料微纳结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种二维原子材料的图形化方法，是将二维原子材料置于衬底上，在一定真空度下用电子束辐照二维原子材料表面，然后利用等离子体刻蚀二维原子材料实现图形化；所述电子束能量和剂量范围分别为100eV～30keV和102～108μC/cm2，所述真空度为1×10-7～5×10-3Pa；该方法无需经历湿法过程，制备的图形尺寸小，可以对平铺在衬底或悬空或覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上的二维原子材料进行加工。
附图说明
图1是本发明介绍的二维原子材料图形化方法的工艺流程图；图1(a)中电子束辐照区域的二维原子材料被保留；图1(b)中电子束辐照区域的二维原子材料被去除；其中1代表电子束，2代表二维原子材料，3代表衬底，4代表腔体残留气氛，5代表等离子体气氛，6代表非晶碳。
图2是实施例1中，等离子体刻蚀前后图形区域的原子力显微镜图；图2(a)是刻蚀前图形区域的原子力显微镜图片，箭头所指为非晶碳沉积的位置；图2(b)刻蚀后图形区域的原子力显微镜图片。
图3是实施例1的透射电镜图片和电子衍射图；图3(a)和图3(c)分别是在悬空石墨烯上制作的两种图形的透射电镜图片；图3(b)和(d)分别是对应的电子衍射图。
图4是实施例4中，在悬空石墨烯上制作的图形的透射电镜图片；箭头所指为电子束辐照的位置，该位置的石墨烯在等离子体刻蚀后被去除。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
在10层以内（包括10层）的石墨烯上用电子束诱导沉积非晶碳，随后用氧等离子体刻蚀，得到设计的二维原子材料图形，具体包括以下步骤：
（1）用生长或转移的方法将石墨烯置于衬底，图形化区域的石墨烯平铺在衬底上，或悬空，或覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上。
（2）将上述样品放入真空腔并确定石墨烯的位置，控制腔体的气压在2×10-4Pa～5×10-3Pa（不包括2×10-4Pa）范围，例如5×10-4Pa、1×10-3Pa。
（3）设计所需制作的图形。
（4）电子束辐照石墨烯：电子束的能量为100eV～30keV，例如500eV，1keV，5keV，10keV，20keV，28keV；电子束的剂量为1×102～108μC/cm2，例如104μC/cm2，105μC/cm2，106μC/cm2，107μC/cm2；电子束诱导真空腔体中或者样品表面残留的碳氢化合物生成固态的非晶碳；非晶碳的厚度为1nm～50nm，例如5nm，10nm，20nm，30nm，40nm。
（5）氧等离子体刻蚀没有被非晶碳保护的石墨烯：所用的射频电源的功率是6～60W，例如10W，15W，30W，50W。通入气体的流量为0.1～300sccm，例如30sccm，50sccm，100sccm，200sccm。腔体的气压为10-3～1Torr，例如50mTorr，300mTorr，500mTorr。反应时间为5s～30min，例如30s，5min，10min，20min。
实施例2
实验方法同实施例1，唯一不同的是将石墨烯替换为氧化石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、黑磷、二硫化钛、二硒化钼、二硒化钨、碲化铋、碲化锑或氮化硼中任一种，或是氧化石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、黑磷、二硫化钛、二硒化钼、二硒化钨、碲化铋、碲化锑、氮化硼中的任意几种沿表面法线方向层层堆叠后形成的异质结构。
实施例3
实验方法同实施例1，唯一不同的是，等离子刻蚀是用氮等离子体、氩等离子体、空气被电离的混合的等离子体。
实施例4
在本实施例中，将用电子束辐照石墨烯，随后用氧等离子体刻蚀，使被电子束辐照的二维原子材料被去除，得到图形化的二维原子材料，具体包括以下步骤：
（1）用生长或转移的方法将石墨烯置于衬底上，图形化区域的石墨烯平铺在衬底上，或悬空，或覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上。
（2）将上述样品放入真空腔并确定石墨烯的位置，使腔体的气压在1×10-7Pa～2×10-4Pa范围，例如5×10-7Pa、5×10-6Pa、1×10-5Pa、5×10-5Pa、1×10-4Pa。
（3）设计所需制作的图形。
（4）电子束辐照石墨烯：电子束的能量范围是20keV～30keV，例如25keV。剂量范围为1×106～108μC/cm2，例如107μC/cm2。
（5）氧等离子体刻蚀：所用的射频电源的功率是6W～60W，例如10W，15W，30W，50W。通入气体的流量为0.1～300sccm，例如30sccm，50sccm，100sccm，200sccm。腔体的气压为10-3～1Torr，例如50mTorr，300mTorr，500mTorr。反应时间为5s～30min，例如30s，5min，10min，20min。
结果表明：在步骤（4）中，没有固态生成物生成或仅有极少量的非晶碳生成，不足以阻挡等离子体对石墨烯的刻蚀。
实施例5
实验方法同实施例4，唯一不同的是，将石墨烯替换为氧化石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、黑磷、二硫化钛、二硒化钼、二硒化钨、碲化铋、碲化锑或氮化硼中任一种；或是氧化石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、黑磷、二硫化钛、二硒化钼、二硒化钨、碲化铋、碲化锑、氮化硼中的任意几种沿表面法线方向层层堆叠后形成的异质结构。
实施例6
实验方法同实施例4，唯一不同的是，等离子刻蚀是用氮等离子体、氩等离子体、空气被电离的混合的等离子体。
对比例1
实验方法同实施例1，唯一不同的是，采用的真空度为5×10-5Pa。当采用的电子束能量为10keV，采用的电子束剂量为1×102～1×105μC/cm2时，结果表明电子束辐照的位置没有非晶碳产生，在等离子体刻蚀后石墨烯被完全去除；当采用的电子束能量为30keV，采用的电子束剂量为1×106～1×108μC/cm2时，结果表明电子束辐照的位置没有非晶碳产生，在等离子体刻蚀后电子束辐照区域的石墨烯最先被去除。
对比例2
实验方法同实施例1，唯一不同的是，电子辐照的剂量为20μC/cm2，结果表明：在电子束辐照区域没有非晶碳产生，等离子体刻蚀后石墨烯被全部去除。
对比例3
实验方法同实施例4，唯一不同的是，采用的真空度为6×10-3Pa，结果表明：在电子束辐照的位置有非晶碳产生，非晶碳阻挡等离子体对其下方的石墨烯的刻蚀，没有非晶碳保护的石墨烯被去除。并且刻蚀后残留的非晶碳厚度超过5nm。

Claims (7)

1.一种二维原子材料的图形化方法，其特征在于，将二维原子材料置于衬底上，在一定真空度下用电子束辐照二维原子材料表面，然后利用等离子体刻蚀二维原子材料实现图形化；所述电子束能量和剂量范围分别为100eV～30keV和102～108μC/cm2，所述真空度为1×10-7～5×10-3Pa。
2.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，所述二维原子材料是平铺在衬底上，或悬空，或覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上。
3.根据权利要求2所述的图形化方法，其特征在于，所述覆盖在衬底表面凸起或下凹的微纳结构上的二维原子材料的最高点与最低点间距离不超过10μm。
4.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，所述二维原子材料选自石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、黑磷、二硫化钛、二硒化钼、二硒化钨、碲化铋、碲化锑、氮化硼中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，所述二维原子材料的原子层数为1～10层。
6.根据权利要求1所述的图形化方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀的条件为：产生等离子体的射频源功率为6～60W，通入气体的流量为0.1～300sccm，腔体气压为10-3～1Torr，刻蚀时间5s～30min。
7.权利要求1至6任一项所述方法制备得到的图形化二维原子材料微纳结构。
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