CN111048399A - 图案化二维材料及其制备方法和产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及二维材料的加工领域,公开了一种制备图案化二维材料的方法,该方法包括以下步骤:1)在第一衬底上制备二维材料薄膜层;2)通过第一喷墨打印的方法在步骤1)得到的产物上形成掩膜层;3)对步骤2)得到的材料依次进行刻蚀和除掩膜,即得图案化二维材料。该方法加工柔性好、速度快、操作简单和成本低,制备得到的图案化二维材料图案化质量高。
Description
技术领域
本发明涉及二维材料的加工领域,具体涉及一种图案化二维材料的制备方法、该方法制备得到的图案化二维材料和该方法在制备图案化二维材料器件中的应用。
背景技术
二维材料具有诸多令人瞩目的物理、化学性质,使其成为目前国际材料科学研究的前沿焦点。它们性质多样且互补,涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体各种类型。从最初的输运性质,到光电器件和自旋电子器件,再到后来的光/电催化剂、锂电池、太阳能电池、超级电容器等,二维材料已渗透入众多现有的研究领域甚至开拓出一些新兴领域。对于二维材料器件制备而言,无论是在电路、场效应晶体管、太阳能电池以及各种传感器的应用中,二维材料的尺寸和形状是影响器件性能的重要因素。因此,将大面积连续制备的二维材料进行图案化处理,成了二维材料加工领域的重要研究方向。然而现有的二维材料图案化方法存在加工柔性差、速度慢以及图案化质量不高等问题,因此如何快速精确的制备图案化的二维材料是制约二维材料应用研究的瓶颈之一。
CN107275218A公开了一种避免光刻胶沾污的二维材料器件制造方法,包括:步骤一、提供衬底,在衬底上制备二维材料层;步骤二、在二维材料层上沉积栅介质层;步骤三、对栅介质层和二维材料层进行有源区图形化刻蚀;步骤四、对源漏接触区的栅介质层进行腐蚀,并沉积源漏电极金属;步骤五、在沟道区的栅介质层上沉积栅电极金属在二维材料上沉积栅介质层的方法,从而避免传统光刻方法光刻胶对二维材料的玷污。
CN106115681A公开了一种二维材料图形化的方法,该方法包括1)将转移过单层石墨烯材料的二氧化硅/硅衬底放置在操作台上;2)将位相光栅放置在样品上方,根据需求可选择一维或二维位相光栅实现石墨烯纳米带或纳米孔洞结构;3)使用激光照射位相光栅和样品;激光通过位相光栅发生相干现象形成激光能量的空间分布,照射到石墨烯上实现大规模的图案化结构。
以上方法增加了装置成本,操作复杂,不易推广。因此需要提供一种更方便的制备图案化二维材料的方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的二维材料图案化方法存在加工柔性差、速度慢、图案化质量不高、操作复杂及成本高的缺陷,提供一种制备图案化二维材料的方法、使用该方法制备得到的图案化二维材料以及该图案化二维材料在器件中的应用。该方法加工柔性好、速度快、操作简单和成本低,制备得到的图案化二维材料图案化质量高。
为了实现上述目的,本发明第一方面提供一种制备图案化二维材料的方法,该方法包括以下步骤:
1)在第一衬底上制备二维材料薄膜层;
2)通过第一喷墨打印的方法在步骤1)得到的产物上形成掩膜层;
3)对步骤2)得到的材料依次进行刻蚀和除掩膜,即得图案化二维材料。
优选地,所述第一喷墨打印所用的墨水含有水溶性高分子、水和/或乙醇,所述水溶性高分子的重均分子量为500-10000。
优选地,所述墨水的表面张力为15-75mN/m,优选为20-45mN/m。
优选地,以所述墨水的总重量为基准,所述水溶性高分子的含量为0.01重量%-80重量%。
优选地,所述方法的步骤1)还包括:在所述二维材料薄膜层上进行金属沉积,得到金属电极。
优选地,所述方法的步骤1)还包括将所述二维材料薄膜层经第一转印的方法转印至第二衬底上。
优选地,所述第二衬底选自硅、聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚苯乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚二甲基硅氧烷膜、聚四氟乙烯膜、纸张、石英片、云母片、玻璃片和铝片中的一种或多种。
优选地,步骤3)中所述刻蚀方法为等离子体或深紫外刻蚀。
本发明第二方面提供了利用本发明第一方面所述方法制备得到的图案化二维材料。
通过上述技术方案,本发明所述方法制备得到的图案化的二维材料图案化质量高,且该方法加工柔性好、速度快、操作简单且成本低,适用于大范围推广。
附图说明
图1是本发明所述一种具体的实现二维材料图案化方法的流程示意图;
图2是本发明实施例1所述方法制备得到的图案化二维材料的光学显微镜照片图。
附图标记说明
1、二维材料薄膜层 2、第一衬底上 3、第二衬底上
4、掩膜层 5、图案化二维材料
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
为了实现上述目的,本发明第一方面提供一种制备图案化二维材料的方法,该方法包括以下步骤:
1)在第一衬底上制备二维材料薄膜层;
2)通过第一喷墨打印的方法在步骤1)得到的产物上形成掩膜层;
3)对步骤2)得到的材料依次进行刻蚀和除掩膜,即得图案化二维材料。
优选地,所述第一喷墨打印所用的墨水含有水溶性高分子、水和/或乙醇,所述水溶性高分子的重均分子量为500-10000。
根据本发明,所述墨水中溶质为水溶性高分子,溶剂为水和/或乙醇。当溶剂为水和乙醇的混合液时,对于水和乙醇的比例没有特别的限定,只要能使水溶性高分子完全溶解即可,优选水于乙醇按体积比为1:1混合。
为了使制备得到的图案化的二维材料图案化质量更高,优选地,所述墨水的表面张力为15-75mN/m,更优选为20-45mN/m。所述表面张力通过动态接触角计和张力计(型号:Dataphysics DCAT 11,Germany)测得。
优选地,以所述墨水的总重量为基准,所述水溶性高分子的含量为0.01重量%-80重量%,更优选为0.1重量%-10重量%。
根据本发明,通过调节水溶性高分子的重均分子量及水溶性高分子的含量使得用于第一喷墨打印的墨水的粘度为1-100厘泊,优选的为1-50厘泊,便于墨水的喷出,进一步使得二维材料图案化的质量更高。
优选地,所述水溶性高分子可以选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、纤维素、淀粉、聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种或多种。
根据本发明,优选地,所述方法的步骤1)还包括:在所述二维材料薄膜层上进行金属沉积,得到金属电极。
根据本发明,对于所述金属沉积的方法没有特别的限定,只要能使所述金属电极沉积到二维材料薄膜上即可,优选地,所述金属电极的沉积方法为可以为真空蒸镀、第二喷墨打印、印刷或第二转印。当使用第二喷墨打印、印刷或第二转印进行金属电极的沉积时,优选地,所用的墨水为导电金属纳米粒子的水溶液。
优选地,所述金属电极可以为铂电极、金电极、银电极或铜电极。
根据本发明,先在二维材料薄膜层上先进行金属电极的沉积,然后对产物进行第一喷墨打印形成掩膜层的技术方案,可以在形成电极的同时和掩膜层一起保护二维材料不被刻蚀。
根据本发明,对于所述二维材料的选择没有特别的限定,可以为本领域所熟知的二维材料,优选地,所述二维材料可以为石墨烯、过渡金属二硫化物、氮化硼、硅烯、磷烯或锗烯。具体地,所述过渡金属二硫化物可以为MoS2、WS2、TiS2、TaS2或ZrS2。
优选地,步骤1)中所述二维材料薄膜层可以通过化学气相沉积方法、化学或机械剥离法或SiC热蒸发法制得,更优选为化学气相沉积方法。
根据本发明,对于所述第一衬底的选择没有特别的限定,只要有利于二维材料的长出即可,优选地,所述第一衬底可以为铜、镍金属、蓝宝石或二氧化硅。
根据本发明,优选地,所述方法的步骤1)还包括将所述二维材料薄膜层经第一转印的方法转印至第二衬底上。
具体地,首先在在第一衬底上制备二维材料薄膜层,然后将所述二维材料薄膜层转印至第二衬底上,再进行金属电极的沉积或喷墨打印掩膜层。其中,将第一衬底上的二维材料薄膜层转印至第二衬底上的第一转印方法是本领域技术人员所熟知的。
优选地,对于所述第二衬底的选择没有特别的限定,可以为任何需要将二维材料图案化的器件,优选地,所述第二衬底选自硅、聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚苯乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚二甲基硅氧烷膜、聚四氟乙烯膜、纸张、石英片、云母片、玻璃片和铝片中的一种或多种。
优选地,步骤3)中所述刻蚀方法可以为等离子体或深紫外刻蚀,其具体操作方法为本领域的常规操作,在此不再赘述。
根据本发明,对于所述步骤3)中除掩膜的方法没有特别的限定,优选地,可以采用掩膜层的良溶剂将掩膜层溶解掉,更优选地,所述溶剂为水和/或乙醇。
本发明第二方面提供了利用本发明第一方面所述方法制备得到的图案化二维材料,所述二维材料图案化质量高。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中,表面张力参数通过动态接触角计和张力计(型号:DataphysicsDCAT 11,Germany)测得,粘度参数通过模块化的紧凑流变仪(型号:Anton Paar MCR302,Austria)。
实施例1
在二氧化硅衬底上通过化学气相沉积方法制备石墨烯薄膜层;
通过喷墨打印的方法在上述石墨烯薄膜层上沉积掩膜层,其中,喷墨打印的墨水中,溶质为重均分子量为1000的聚乙烯吡咯烷酮,溶剂为水和乙醇以体积比为1:1混合的溶液,以墨水的总重量为基准,聚乙烯吡咯烷酮的含量为5wt%。所得墨水的表面张力为29mN/m,粘度为49厘泊;
将上述步骤所得的材料进行离子体刻蚀,未被掩膜层保护的石墨烯材料被选择性刻蚀,得到被掩膜层保护的石墨烯材料图案;
最终将所得的被掩膜层保护的石墨烯材料图案样品置于水溶剂中除去聚乙烯吡咯烷酮掩膜层,得到图案化石墨烯。
该图案化石墨烯的光学显微镜图,如图2所示。
由图2可得,所制备得到的图案化石墨烯规整排列,彼此之间没有交叉重叠,图案化质量高。
实施例2
在蓝宝石衬底上通过化学气相沉积方法制备二硫化钼薄膜层;
通过转印的方法将蓝宝石衬底上的二硫化钼材料层转移到制备二硫化钼器件所需的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜上,使用真空蒸镀的方法沉积铂电极,制得图案化铂电极;
通过喷墨打印的方法在上述产物上沉积掩膜层,其中,喷墨打印的墨水中,溶质为重均分子量为5000的聚乙二醇,溶剂为水,以墨水的总重量为基准,聚乙二醇的含量为0.05wt%。所得墨水的表面张力为45mN/m,粘度为11厘泊;
将上述步骤所得的样品进行选择性深紫外刻蚀,未被掩膜层保护的二硫化钼材料被选择性刻蚀,得到被掩膜层保护的二硫化钼材料图案;
最终将所得的被掩膜层保护的二硫化钼材料图案样品置于水溶剂中除去聚乙二醇掩膜层,得到二硫化钼图案及电极图案化的二维材料器件结构。
该图案化石墨烯规整排列,彼此之间没有交叉重叠,图案化质量高。
实施例3
在铜衬底上通过化学气相沉积方法制备石墨烯薄膜层;
通过转印的方法将铜衬底上的石墨烯材料层转移到制备石墨烯器件所需的聚丙烯膜上,使用喷墨打印的方法沉积铂电极,喷墨打印所用的墨水为导电铜纳米粒子的水溶液,制得图案化铜电极;
通过喷墨打印的方法在上述产物上沉积掩膜层,其中,喷墨打印的墨水中,溶质为重均分子量为7500的纤维素,溶剂为水和乙醇以体积比为1:1混合的溶液,以墨水的总重量为基准,纤维素的含量为1.5wt%。所得墨水的表面张力为25mN/m,粘度为45厘泊;
将上述步骤所得的样品进行选择性深紫外刻蚀,未被掩膜层保护的石墨烯材料被选择性刻蚀,得到被掩膜层保护的石墨烯材料图案;
最终将所得的被掩膜层保护的石墨烯材料图案样品置于水与乙醇的混合溶剂中除去纤维素掩膜层,得到石墨烯图案及电极图案化的二维材料器件结构。
该图案化石墨烯规整排列,彼此之间没有交叉重叠,图案化质量高。
对比例1
在二氧化硅衬底上通过化学气相沉积方法制备石墨烯薄膜层;
通过喷墨打印的方法在上述石墨烯薄膜层上沉积掩膜层,其中,喷墨打印的墨水中,溶质为重均分子量为200的聚乙烯吡咯烷酮,溶剂为乙醇,以墨水的总重量为基准,聚乙烯吡咯烷酮的含量为1wt%。所得墨水的表面张力为22mN/m,粘度为0.5厘泊;
将上述步骤所得的材料进行离子体刻蚀,未被掩膜层保护的石墨烯材料被选择性刻蚀,得到被掩膜层保护的石墨烯材料图案;
最终将所得的被掩膜层保护的石墨烯材料图案样品置于水溶剂中除去聚乙烯吡咯烷酮掩膜层,得到图案化石墨烯。
该图案化石墨烯彼此之间有交叉重叠,图案化质量差。
通过实施例1-3和对比例1的结果可以看出,采用本发明所述方法图案化二维材料的图案化质量明显高,且该方法加工柔性好、速度快、操作简单且成本低,适用于大范围推广。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种制备图案化二维材料的方法,该方法包括以下步骤:
1)在第一衬底上制备二维材料薄膜层;
2)通过第一喷墨打印的方法在步骤1)得到的产物上形成掩膜层;
3)对步骤2)得到的材料依次进行刻蚀和除掩膜,即得图案化二维材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述第一喷墨打印所用的墨水含有水溶性高分子、水和/或乙醇,所述水溶性高分子的重均分子量为500-10000。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述墨水的表面张力为15-75mN/m,优选为20-45mN/m。
4.根据权利要求2所述的方法,其中,以所述墨水的总重量为基准,所述水溶性高分子的含量为0.01重量%-80重量%。
5.根据权利要求2所述的方法,其中,所述水溶性高分子选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、纤维素、淀粉、聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述方法的步骤1)还包括:在所述二维材料薄膜层上进行金属沉积,得到金属电极。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述金属沉积的方法为真空蒸镀、第二喷墨打印、印刷或第二转印。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述第二喷墨打印、印刷或第二转印所用的墨水为导电金属纳米粒子的水溶液。
9.根据权利要求6所述的方法,其中,所述金属电极为铂电极、金电极、银电极或铜电极。
10.根据权利要求1或6所述的方法,其中,所述二维材料为石墨烯、过渡金属二硫化物、氮化硼、硅烯、磷烯或锗烯。
11.根据权利要求1或6所述的方法,其中,步骤1)中所述二维材料薄膜层通过化学气相沉积方法、化学或机械剥离法或SiC热蒸发法制得;
所述第一衬底为铜、镍金属、蓝宝石或二氧化硅。
12.根据权利要求1或6所述的方法,其中,所述方法的步骤1)还包括将所述二维材料薄膜层经第一转印的方法转印至第二衬底上。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,所述第二衬底选自硅、聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚苯乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚二甲基硅氧烷膜、聚四氟乙烯膜、纸张、石英片、云母片、玻璃片和铝片中的一种或多种。
14.根据权利要求1-13任意一项的方法,其中,步骤3)中所述刻蚀方法为等离子体或深紫外刻蚀。
15.根据权利要求1-14任意一项所述方法制备得到的图案化二维材料。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200421 |
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