CN108298496B - 一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石墨烯批量化装配技术，具体是一种基于光介电泳的石墨烯快速、自动化、大规模装配方法，主要用于石墨烯器件加工制造领域。本发明结合光介电泳与微流控技术，通过微泵利用AgNO3溶液在光介电泳引导下，发生氧化还原反应从而生成Ag的原理，在石墨烯上持续自动化构造Ag电极，从而实现石墨烯批量化装配。本发明能低成本快速、可控、自动化地实现石墨烯批量化装配，对石墨烯器件制造具有重要的实用意义。

Description

一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法
技术领域
本发明涉及石墨烯批量化装配技术，具体是一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法，主要用于石墨烯器件加工制造领域。
背景技术
石墨烯——单层碳原子二维结构，被誉为下一代芯片制造的绝佳材料。它具有超高的导电性, 其稳定的晶格结构使电子在石墨烯中迁移的速度达到了光速的 1/300。并且石墨烯在室温下就具有超高的电子迁移率和载流子浓度，电阻率低，能耗极少，这使得开发出更小、更高速的计算机芯片和传感器成为可能，使用石墨烯制造的处理器频率可达到1THz以上，是目前基于硅工艺处理器的100到1000倍。
石墨烯与微电极的电连接是石墨烯器件加工制造不可缺少的重要部分。目前实现石墨烯与微电极电连接的方法主要有：（1）“自上而下”的方法，该方法是先石墨烯沉积在基底表面，然后利用传统的电子束光刻与金属沉积技术在石墨烯两端建立微电极。虽然此方法与现行的微纳加工技术兼容，但是其制造工艺非常繁琐和昂贵，因此并不适合低成本批量化石墨烯的装配；（2）“自下而上”的方法，该方法是通过某种方法直接将石墨烯装配到预制好的电极表面，从而形成电连接。 主要采用化学自组装和介电泳两种方式。化学自主装方式的原理是通过静电作用使功能化后带有正电的石墨烯吸附在带负电的金属电极上，只有10%-20%的石墨烯与电极形成电连接。虽然介电泳能够实现石墨烯的有效装配，但是无法控制石墨烯与电极之间的相对位置，装配效率较低，难于实现石墨烯的批量化装配。并且需要有物理电极的参与，而物理电极的制造过程需要经过甩胶、电子束曝光和金属沉积等步骤，制造工艺复杂且昂贵，并且电极制造后位置固定，可重构性差。
因此，急需建立一种快速、自动化、大规模的石墨烯装配方法，将传统的ODEP实验系统与微流控技术相结合，从而实现石墨烯器件的批量化制造。这将极大地推进石墨烯在纳米器件方面的应用，对制造领域和国民经济意义重大。但目前还没有这方面的报道。
发明内容
针对现有技术的上述不足之处，本发明的目的是提供一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法，能低成本快速、可控、自动化地实现石墨烯批量化装配，对石墨烯器件制造具有重要的实用意义。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法，包括以下步骤：
（1）制作新型ODEP芯片：将CVD生长的石墨烯转移到ODEP芯片上，并将ITO玻璃与ODEP芯片封装起来；
（2）芯片连接：分别在ITO玻璃与ODEP芯片上引出导线与信号发生器进行连接发出交流信号给芯片通电；在进液口与出液口处引出塑料管道，通过控制微泵利用注射器持续将溶液从进液口注入；
（3）批量化电极制造：首先判断石墨烯位置（石墨烯为透明），然后在显现的石墨烯边缘构造光电极，在设定时间内生成电极，实现与石墨烯的电连接。
所述新型ODEP芯片是将传统ODEP芯片中的ITO玻璃进行改进，首先在双面胶上雕刻出进液孔、进液通道、操作区间、出液通道和出液孔。然后将雕刻好的双面胶粘帖在ITO玻璃上，利用钻孔机在进液孔和出液孔的位置上钻孔，以便将管道插入。
所述交流信号为正弦交流信号，频率为50kHz，峰峰值电压取10Vpp。
所述溶液为AgNO3溶液，在光介电泳引导下，发生氧化还原反应从而生成Ag，其反 应原理为
Figure 278195DEST_PATH_IMAGE002
。
所述石墨烯位置判断通过在计算机上构造电极矩阵，对光电极矩阵施加1s的交流信号，由于石墨烯的疏水性导致石墨烯上不会生成电极，从而显现出六边形石墨烯位置。
所述设定时间为30s。
所述光电极是利用计算机绘制通过投影形成的。
本发明具有以下优点：
1、本发明将传统的ODEP实验系统与微流控技术相结合可实现石墨烯的批量化装配；
2、本发明可快速实现石墨烯批量化装配，能在30s完成电极生成，并具有良好的导电性能；3、该方法成本低廉，并且能够实现自动化、可控的实现石墨烯的装配。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2(a) 是双面胶需要雕刻的结构；图2(b)是雕刻后的双面胶粘帖在钻孔后ITO玻璃；
图3是引入微流控的ODEP实验系统；
图4是Ag电极沉积过程；
图5是Ag电极沉积结果与电连接测试。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1为本发明的实施流程图。本发明的一个实施例的具体步骤为：
1）、将CVD生长的石墨烯转移到ODEP芯片上，将图2中的ITO玻璃与ODEP芯片封装起来。
2）、分别在ITO玻璃与ODEP芯片上引出导线与信号发生器进行连接发出交流信号给芯片通电；在进液口与出液口处引出塑料管道，通过控制微泵利用注射器持续将溶液从进液口注入如图3所示。当出液管道里面有部分溶液时可停止进液或将进液速度调慢。
3）、在计算机上构造电极矩阵，对光电极矩阵施加正弦交流信号，频率为50kHz，峰峰值电压取10Vpp，反应时间为1s。
4）、在显现的石墨烯边缘构造光电极，频率为50kHZ，峰峰值电压取10Vpp，反应时间为30s。图4为石墨烯电极加工过程，随着反应时间的增加虚拟电极处沉积的Ag越来越厚，最终实现石墨烯的电连接。
5）、图5(a)、(b)和 (c)为Ag电极在石墨烯上沉积的光学显微镜表征结果，蓝色标尺分别为200μm、100μm和200μm。可以看到，在石墨烯的六边形边缘处沉积了不同构型的Ag电极，电极的宽度为15-30μm。利用半导体分析仪对沉积后的结果进行电特性测试，图5(d)中小图显示的是晶圆探针台的微探针与Ag电极相连，测试的I-V曲线如图5(d)所示。可以看到，Ag电极与石墨烯实现了电连接，并且为欧姆接触。

Claims (2)

1.一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制作光诱导介电泳ODEP芯片：首先在双面胶上雕刻出进液孔、进液通道、操作区间、出液通道和出液孔，然后将雕刻好的双面胶粘帖在ITO玻璃上，利用钻孔机在进液孔和出液孔的位置上钻孔，以便将管道插入；将CVD生长的石墨烯转移到光诱导介电泳ODEP芯片上，并将ITO玻璃与光诱导介电泳ODEP芯片封装起来，也即将所述ITO玻璃盖在所述光诱导介电泳ODEP芯片有石墨烯的一面，从而使所述ITO玻璃上的双面胶的另一面粘贴在所述光诱导介电泳ODEP芯片上；
（2）芯片连接：分别在ITO玻璃与光诱导介电泳ODEP芯片上引出导线与信号发生器进行连接发出交流信号给芯片通电；在进液口与出液口处引出塑料管道，通过控制微泵利用注射器持续将溶液从进液口注入；所述交流信号为正弦交流信号，频率为50kHz，峰峰值电压取10Vpp；所述溶液为AgNO3溶液，在光介电泳引导下，发生氧化还原反应从而生成Ag，其反应原理为
Figure QLYQS_1
；
（3）批量化电极制造：首先判断透明石墨烯位置，然后在显现的石墨烯边缘构造光电极，在设定时间内生成电极，实现与石墨烯的电连接；所述石墨烯位置判断通过在计算机上构造电极矩阵，对光电极矩阵施加1s的交流信号，由于石墨烯的疏水性导致石墨烯上不会生成电极，从而显现出六边形石墨烯位置，所述设定时间为30s。
2.根据权利要求1所述的一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法，其特征在于，所述光电极是利用计算机绘制通过投影形成的。
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