CN107039257A - 一种激光诱导石墨烯图形化制备方法及掩模化制品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光诱导石墨烯图形化制备方法及用于激光诱导石墨烯图形化的掩模化制品，该方法包括以下步骤：S1、在形成于衬底上的聚合物层上形成金属层；S2、对所述金属层进行图形化加工，形成金属掩模层；S3、使用激光对金属掩模层的掩模区域进行辐照，在所述聚合物层上完成激光诱导多孔石墨烯的生长；S4、去除所述聚合物层剩余的材料，完成激光诱导多孔石墨烯图形化加工。本发明能够提高多孔石墨烯图形化的加工精度，使工艺过程和加工操作简单化，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光诱导石墨烯图形化制备方法及用于激光诱导石墨烯图形化的掩模化制品。
背景技术
石墨烯作为准二维纳米碳材料，其具有众多的优良特性，例如高载流子迁移率、良好的透光性、高热导率、高机械强度、独特的电学以及摩擦特性等。多孔石墨烯作为石墨烯家族中的一员不仅继承了其部分优良特性，同时由于其相比于本征石墨烯具有一定的纳米孔缺陷，使得其拥有更大的表面积、更高的表面活性。
目前多孔石墨烯生产方法一般可分为化学腐蚀法、反应刻蚀法、热膨胀法等，但上述方法都需要石墨烯或氧化石墨烯作为前驱体，不仅制造成本高昂而且图形化困难，不适合进行大规模生产。激光诱导多孔石墨烯加工是一种能够连续大规模加工石墨烯的方法。它通过在聚合物表面进行激光辐照，原位生成多孔石墨烯。这种方法不仅成本低廉，并且可以一步完成石墨烯的图形化，具有广阔的产业化应用前景。但其图形化精度取决于激光光斑大小以及移动控制器精度，常用的红外激光器光斑大小约为50微米到120微米之间，即使采用复杂的光学聚焦系统，也很难将光斑大小控制在10微米以下。同时激光器扫描控制系统移动精度一般大于20微米，因此使用这种激光器直接进行图形化加工，其加工精度较低，无法进行小于10微米的多孔石墨烯图形化加工。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光诱导石墨烯图形化制备方法及用于激光诱导石墨烯图形化的掩模化制品，提高加工精度，使工艺过程和加工操作简单化，降低成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光诱导石墨烯图形化制备方法，包括以下步骤：
S1、在形成于衬底上的聚合物层上形成金属层；
S2、对所述金属层进行图形化加工，形成金属掩模层；
S3、使用激光对所述金属掩模层的掩模区域进行辐照，在所述聚合物层上完成激光诱导多孔石墨烯的生长；
S4、去除所述聚合物层剩余的材料，完成激光诱导多孔石墨烯图形化加工。
进一步地：
步骤S2中，通过光刻工艺完成所述金属层的图形化加工。
所述聚合物为聚酰亚胺材料，厚度为5-50微米。
所述金属层为铝、铜、银、金中的任一种，厚度为50-800纳米。
所述金属层为铝、铜、银、金；步骤S2中，通过光刻工艺完成所述金属层的图形化加工。
所述激光为CO2红外激光，波长为10.6微米。
激光功率3～40W，扫描速度为50～500mm/s。
一种用于所述的制备方法的掩模化制品,包括衬底、形成于所述衬底上的聚合物层和形成于所述聚合物层上的图形化的金属掩模层。
进一步地：
所述聚合物为聚酰亚胺材料，厚度为5-50微米。
所述金属层为铝、铜、银、金中的任一种，厚度为50-800纳米。
所述衬底为硅衬底。
本发明的有益效果：
本发明的激光诱导石墨烯图形化制备方法，使用金属薄膜作为激光诱导石墨烯的掩模层，使用激光器对聚合物层进行激光诱导石墨烯加工，控制激光在掩模区域进行辐照，诱导加工出所需图形，经测试可获得最小加工线宽达1微米，远高于直写激光诱导石墨烯加工精度，而且可以使用廉价激光器系统进行加工。本发明的优点具体体现为：采用金属薄膜掩模可大幅提高多孔石墨烯图形化精度，掩模图形化方法基于成熟集成电路工艺，加工成本低。对激光器系统要求较低，可以使用廉价激光器进行生产。
附图说明
图1为本发明制备方法一种实施例中在聚合物层上形成金属层的示意图；
图2为本发明制备方法一种实施例中对金属层完成图形化加工后的示意图；
图3为本发明制备方法一种实施例中使用激光对金属掩模层的掩模区域进行辐照的示意图；
图4为本发明制备方法一种实施例中在聚合物层上完成激光诱导多孔石墨烯的生长的示意图；
图5为本发明制备方法一种实施例中去除聚合物层剩余的材料后形成图形化的多孔石墨烯的示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1至图5所示，在一种实施例中，一种激光诱导石墨烯图形化制备方法，包括以下步骤：
S1、在形成于衬底3上的聚合物层2上形成金属层1；
S2、对所述金属层1进行图形化加工，形成金属掩模层4；
S3、使用激光5对所述金属掩模层4的掩模区域进行辐照，在所述聚合物层2上完成激光诱导多孔石墨烯6的生长；
S4、去除所述聚合物层2剩余的材料，完成激光诱导多孔石墨烯图形化加工。
在优选实施例中，步骤S2中，通过光刻工艺完成所述金属层1的图形化加工。
在优选实施例中，所述聚合物为聚酰亚胺材料，厚度为5-50微米。
在优选实施例中，所述金属层为铝、铜、银、金中的任一种，厚度为50-800纳米。
在优选实施例中，所述金属层为铝、铜、银、金中的任一种；步骤S2中，通过光刻工艺完成所述金属层的图形化加工。优选地，在所述光刻工艺中，对于显影后的铝薄膜，使用磷酸、硝酸、醋酸以及水，重量比例为80:5:5:10，作为刻蚀液进行铝薄膜刻蚀，完成图形化。
在优选实施例中，所述激光为CO2红外激光，波长为10.6微米。
在优选实施例中，激光功率3～40W，扫描速度为50～500mm/s。
根据优选的实施例，本发明的方法先在聚合物层2上生长一层金属层1，并使用标准光刻工艺完成金属层1的图形化加工，然后控制激光以一定功率和扫描速度在金属掩模区域进行辐照，在聚合物材料上完成激光诱导多孔石墨烯的生长，并由金属掩模控制加工出所需图形。所述金属层优选为铝、铜、银、金等高导热率材料，厚度为50-800纳米。优选的，激光功率为3～40W，扫描速度为50～500mm/s。所述激光优选为CO2红外激光，波长约10.6微米。优选的，聚合物为聚酰亚胺材料，厚度为5-50微米。
参阅图2和图3，一种用于所述的制备方法的掩模化制品,包括衬底3、形成于所述衬底3上的聚合物层2和形成于所述聚合物层2上的图形化的金属掩模层4。
在优选实施例中，所述聚合物层2为聚酰亚胺材料，厚度为5-50微米。
在优选实施例中，所述金属层为铝、铜、银、金中的任一种，厚度为50-800纳米。
在优选实施例中，所述衬底3为硅衬底。
实例1
本实例采用金属铝薄膜作为掩模层材料，对聚酰亚胺薄膜进行激光诱导多孔石墨烯加工。工艺具体可包括以下步骤：
1)在硅衬底上制作一层厚度为50微米的聚酰亚胺薄膜。
2)使用溅射工艺，在聚酰亚胺薄膜上制备一层200nm厚的金属铝。
3)使用标准光刻工艺对铝薄膜掩模层进行光刻，显影,最小线宽10微米。
4)使用磷酸、硝酸、醋酸以及水，重量比例为80:5:5:10，作为刻蚀液进行铝薄膜刻蚀，完成图形化。
5)去除铝薄膜上的光刻胶。
6)使用10.64微米波长的红外激光器对待图形化区域进行面扫描。激光器功率为5.5W，扫描速度为450mm/s.
7)将PI层从硅衬底上剥离，留下图形化后的激光诱导多孔石墨烯。
实例2
本实例采用金属铝薄膜作为掩模层材料，对聚酰亚胺薄膜进行激光诱导多孔石墨烯加工。工艺具体可包括以下步骤：
1)在硅衬底上制作一层厚度为50微米的聚酰亚胺薄膜。
2)使用溅射工艺，在聚酰亚胺薄膜上制备一层50nm厚的金属铝。
3)使用标准光刻工艺对铝薄膜掩模层进行光刻，显影，最小线宽30微米。
4)使用磷酸、硝酸、醋酸以及水，重量比例为80:5:5:10，作为刻蚀液进行铝薄膜刻蚀，完成图形化。
5)去除铝薄膜上的光刻胶。
6)使用10.64微米波长的红外激光器对待图形化区域进行面扫描。激光器功率为4.8W，扫描速度为400mm/s。
7)将PI层从硅衬底上剥离，留下图形化后的激光诱导多孔石墨烯。
实例3
本实例采用金属金薄膜作为掩模层材料，对聚酰亚胺薄膜进行激光诱导多孔石墨烯加工。工艺具体可包括以下步骤：
1)在硅衬底上制作一层厚度为25微米的聚酰亚胺薄膜。
2)使用溅射工艺，在聚酰亚胺薄膜上制备一层100nm厚的金属金。
3)使用标准光刻工艺对金薄膜掩模层进行光刻，显影，最小线宽5微米。
4)使用碘、碘化钾以及水，重量比例为3:6:5，作为刻蚀液进行金薄膜刻蚀，完成图形化。
5)去除金薄膜上的光刻胶。
6)使用10.64微米波长的红外激光器对待图形化区域进行面扫描。激光器功率为6.5W，扫描速度为300mm/s。
7)将PI层从硅衬底上剥离，留下图形化后的激光诱导多孔石墨烯。本发明的激光诱导石墨烯图形化制备方法，使用金属薄膜作为激光诱导石墨烯的掩模层，使用激光器对聚合物层进行激光诱导石墨烯加工，控制激光在掩模区域进行辐照，诱导加工出所需图形，经测试可获得最小加工线宽达1微米，远高于直写激光诱导石墨烯加工精度，而且可以使用廉价激光器系统进行加工。具体体现为：采用金属薄膜掩模可大幅提高多孔石墨烯图形化精度，掩模图形化方法基于成熟集成电路工艺，加工成本低。对激光器系统要求较低，可以使用廉价激光器进行生产。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、在形成于衬底上的聚合物层上形成金属层；
S2、对所述金属层进行图形化加工，形成金属掩模层；
S3、使用激光对所述金属掩模层的掩模区域进行辐照，在所述聚合物层上完成激光诱导多孔石墨烯的生长；
S4、去除所述聚合物层剩余的材料，完成激光诱导多孔石墨烯图形化加工。
2.如权利要求1所述的激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,步骤S2中，通过光刻工艺完成所述金属层的图形化加工。
3.如权利要求1所述的激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,所述聚合物为聚酰亚胺材料，厚度为5-50微米。
4.如权利要求1或2所述的激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,所述金属层为铝、铜、银、金中的任一种，厚度为50-800纳米。
5.如权利要求1所述的激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,所述金属层为铝、铜、银、金中的任一种；步骤S2中，通过光刻工艺完成所述金属层的图形化加工。
6.如权利要求1至5任一项所述的激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,所述激光为CO2红外激光，波长为10.6微米。
7.如权利要求1至6任一项所述的激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,激光功率3～40W，扫描速度为50～500mm/s。
8.一种用于如权利要求1至7任一项所述的制备方法的掩模化制品，其特征在于,包括衬底、形成于所述衬底上的聚合物层和形成于所述聚合物层上的图形化的金属掩模层。
9.如权利要求8所述的激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,所述聚合物为聚酰亚胺材料，厚度为5-50微米。
10.如权利要求8或9所述的激光诱导石墨烯图形化制备方法，其特征在于,所述金属层为铝、铜、银、金中的任一种，厚度为50-800纳米。
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