CN111060720B - 一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法 - Google Patents

一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111060720B
CN111060720B CN201911364182.XA CN201911364182A CN111060720B CN 111060720 B CN111060720 B CN 111060720B CN 201911364182 A CN201911364182 A CN 201911364182A CN 111060720 B CN111060720 B CN 111060720B
Authority
CN
China
Prior art keywords
processing
graphene
probe
micro
edge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911364182.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111060720A (zh
Inventor
陈磊
陈超
钱林茂
石鹏飞
郭杰
唐川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN201911364182.XA priority Critical patent/CN111060720B/zh
Publication of CN111060720A publication Critical patent/CN111060720A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111060720B publication Critical patent/CN111060720B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/16—Probe manufacture
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
    • B81C1/00523—Etching material
    • B81C1/00547—Etching processes not provided for in groups B81C1/00531 - B81C1/00539
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，应用于石墨烯微纳加工领域，针对现有技术不能完全满足对未来柔性器件的高可靠，高稳定和低成本的极限加工要求；本发明选用具有较强表面化学活性的探针作为加工工具，按照设定加工轨迹从石墨烯边缘向内部进行刻划加工，利用刻划加工过程中探针与石墨烯边缘碳原子之间的摩擦化学反应，在低于石墨烯机械破坏强度的低接触压力下去除接触区域碳原子，采用本发明方法加工的微纳结构的机械和电学性能与石墨烯基体一致。

Description

一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法
技术领域
本发明属于微纳加工领域，特别涉及一种石墨烯微纳加工技术。
背景技术
纳米科技开创了21世纪人类生活的新时代，以集成电路为主的技术促使人类进入了高速发展的信息时代。但是随着多年来的发展，硅基底集成电路技术的发展已经趋近其特征线宽的物理极限，急需寻找硅的替代材料并发展新的柔性纳米器件。以石墨烯为代表的二维材料以其优异的机械和电学性能显示出制造未来电子器件的巨大潜力，所以探索新的二维材料加工技术，增加相关技术储备是紧跟国际发展的国家战略。
石墨烯因其出色的机械和电学特性，被认为是制造柔性器件的理想材料。目前可应用于加工石墨烯的方法有：自上而下的裂解碳纳米管，H-等离子体刻蚀，自下而上的分子自组装。自上而下的加工方法步骤繁多，难以直接加工出特定的纳米结构，且加工参数不易控制；H-等离子体刻蚀一般其加工区域成正六边形扩展，难以根据特定需求设定柔性的加工路径；自下而上的加工方法不可避免地引入化学杂质，将会直接影响加工结构的电学性能。因此，当前本领域的技术储备并不能完全满足对未来柔性器件的高可靠，高稳定和低成本的极限加工要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，基于高表面化学活性探针与石墨烯的摩擦化学反应，在低接触压力作用下通过刻划实现从石墨烯边缘向内部扩展的微纳结构加工。
本发明采用的技术方案为：一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，选用具有较强表面化学活性的探针作为加工工具，按照设定加工轨迹从石墨烯边缘向内部进行刻划加工，利用刻划加工过程中探针与石墨烯边缘碳原子之间的摩擦化学反应，在低于石墨烯屈服极限的接触压力下去除接触区域碳原子。
所述具有较强表面化学活性的探针材料为硅、二氧化硅、二氧化铈、氮化硅中的一种。
所述探针安装于扫描探针加工设备上。
所述扫描探针加工设备用于表征石墨烯表面形貌，并根据扫描得到的石墨烯表面形貌定位石墨烯边缘。
所述探针为锥形探针或球形探针。
所述接触压力小于石墨烯发生机械破坏的临界接触压力。
所述加工接触压力取值范围为0.3GPa-1.4Gpa。
所述加工完成后，通过原位表征获得加工区域的微纳结构特征或形貌。
本发明的有益效果：本发明基于高表面化学活性探针与石墨烯边缘碳原子的摩擦化学反应，在远低于石墨烯发生机械破坏所需的接触压力下实现碳原子从边缘向内部的去除，以及规则微纳结构的加工，加工区域的碳原子排布保持完整，保证了微纳结构优异的机械和电学特性；其次，此加工方法对加工环境无特殊要求，在普通大气、氮气或真空等环境均可完成，不引入化学杂质，因此在保证加工质量的情况下兼顾经济性；另外，该加工方法可以根据需求，通过改变加工轨迹实现任意二维结构的柔性加工，灵活性强，能够适应未来柔性电子器件相关微纳结构加工多样性的需求。
附图说明
图1为源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法示意图；
其中，图1(a)为两层石墨烯，图1(b)为探针从石墨烯表层边缘向内部加工示意图，图1(c)为加工得到的微纳结构形貌图；
图2为采用本发明的方法加工纳米通道；
其中，图2(a)为加工得到的纳米通道的扫描探针显微镜形貌图；图2(b)为加工得到的纳米通道的截面轮廓图；
图3为采用本发明方法加工得到的石墨烯表面纳米字母的扫描探针显微镜形貌图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
通常情况下石墨烯边缘单层台阶高度为0.34nm，多层台阶高度成倍数增加；如图1所示，以两层台阶为例，本发明的一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，包括以下步骤：
S1、将如图1(a)所示石墨烯放置于样品台上，将具有较强表面化学活性的探针工具安装在扫描探针加工设备上；
S2、启动扫描探针加工设备，扫描获得石墨烯样品的表面形貌，并将探针定位石墨烯边缘；
S3、如图1(b)所示，控制探针以低于石墨烯机械破坏强度的接触压力按照设定加工轨迹从石墨烯边缘向内部进行刻划加工；
S4、加工完成后，通过原位表征获得加工区域的微纳结构特征或形貌如图1(c)所示。
实例一
采用本发明的方法加工纳米通道，加工过程如下：
A1、将较强表面化学活性的锥形硅探针安装在扫描探针加工设备上，再将制备的石墨烯样品放置于加工台上，扫描获得石墨烯表面形貌，寻找石墨烯边缘。
A2、将扫描探针定位至石墨烯边缘区域，设定其运动轨迹，在低接触压力作用下(如法向载荷1μN)控制探针从石墨烯边缘向内部进行刻划加工，并通过观测摩擦力曲线的变化实时监控加工状态；具体的扫描探针设备在加工过程中会反馈探针与石墨烯相互作用的摩擦力曲线，可以通过该摩擦力曲线实时的判断加工状态，以及设定的加工路径是否已经加工完成。本步骤所述的低接触压力为小于石墨烯发生机械破坏的临界接触压力。
A3、加工完成后，通过原位扫描获得加工区域的微纳结构形貌。
图2(a)为以此实例方法加工的纳米通道，图2(b)为该纳米通道的截面轮廓图。该纳米通道的长度约3μm，宽度约100nm。
实例二
通过扫描探针与石墨烯边缘摩擦化学加工方法在石墨烯表面加工的微纳字母结构，加工过程如下：
B1、样品准备步骤与实例一相同，首先寻找石墨烯原子台阶边缘；
B2、将扫描探针定位至石墨烯台阶边缘，设定加工字母的载荷和探针运动轨迹，控制探针沿轨迹刻划加工出微纳字母结构；
B3、加工完成后，通过原位扫描获得加工区域的微纳字母结构形貌。
图3为使用本实例方法加工出字母组合“NF”，为“Nano-Fabrication”的简写。
本发明中具有较强表面化学活性的探针材料为硅、二氧化硅、二氧化铈、氮化硅中的一种，当采用硅时，探针最低接触压力为1.4GPa，当采用二氧化硅时，探针最低接触压力为0.3GPa；其他材料对应的探针最低接触压力介于0.3GPa-1.4GPa；具体实施过程中，探针刻划加工的接触压力可根据实际材质或需要从0.3GPa-1.4GPa选取。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，其特征在于，选用具有较强表面化学活性的探针作为加工工具，按照设定加工轨迹从石墨烯边缘向内部进行刻划加工，利用刻划加工过程中探针与石墨烯边缘碳原子之间的摩擦化学反应，在低接触压力下去除接触区域碳原子；
所述具有较强表面化学活性的探针材料为硅、二氧化硅、二氧化铈、氮化硅中的一种；
所述低接触压力小于石墨烯发生机械破坏的临界接触压力；所述低接触压力取值范围为0.3GPa-1.4GPa。
2.根据权利要求1所述的一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，其特征在于，所述探针安装于扫描探针加工设备上。
3.根据权利要求2所述的一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，其特征在于，所述扫描探针加工设备用于表征石墨烯表面形貌，并根据扫描得到的石墨烯表面形貌定位石墨烯边缘。
4.根据权利要求3所述的一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，其特征在于，所述探针为锥形或球型探针。
5.根据权利要求1所述的一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法，其特征在于，所述加工完成后，通过原位表征获得加工区域的微纳结构特征。
CN201911364182.XA 2019-12-26 2019-12-26 一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法 Active CN111060720B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911364182.XA CN111060720B (zh) 2019-12-26 2019-12-26 一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911364182.XA CN111060720B (zh) 2019-12-26 2019-12-26 一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111060720A CN111060720A (zh) 2020-04-24
CN111060720B true CN111060720B (zh) 2021-09-28

Family

ID=70303992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911364182.XA Active CN111060720B (zh) 2019-12-26 2019-12-26 一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111060720B (zh)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008053691B3 (de) * 2008-10-29 2010-01-21 Humboldt-Universität Zu Berlin Schneidvorrichtung zum Schneiden von Graphen sowie Verfahren zum Schneiden von Graphen mittels einer Schneidvorrichtung
CN102020240B (zh) * 2009-09-09 2013-04-10 中国科学院金属研究所 一种具有边界选择性的裁剪石墨烯的方法
CN102500896B (zh) * 2011-10-25 2015-01-07 碳元科技股份有限公司 针对于石墨烯层进行热切割的方法及系统
GB201209361D0 (en) * 2012-05-26 2012-07-11 Lloyd Jonathan Electrically conductive dental endodontic point
CN106744675B (zh) * 2017-01-22 2018-11-09 郑州大学 一种纳米材料切断加工方法
CN106985213B (zh) * 2017-04-28 2019-01-29 沈阳工业大学 利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的方法与装置
CN109052317B (zh) * 2018-08-03 2021-10-01 平顶山学院 石墨烯-碳纳米管fet器件的加工方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Friction at sigle-layer graphene step edges due to chemical and topographic interactions;lei chen;《Elsevier》;20191224;第67-73页 *
nanomanufacturing of silicon surface with a single atomic layer precision via mechanochemical reactions;lei chen;《nature communications》;20181231;第1-7页 *
wear resistance limited by step edge failure:the rise and fall of graphene as an atomically thin lubricating material;YiZhou Qi;《ACS applied materials & interfaces》;20171231;第1099-1106页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111060720A (zh) 2020-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ru et al. Automated four-point probe measurement of nanowires inside a scanning electron microscope
Zhang et al. Horizontally aligned carbon nanotube arrays: growth mechanism, controlled synthesis, characterization, properties and applications
US9698035B2 (en) Microstructures for improved wafer handling
Dujardin et al. Self-assembled switches based on electroactuated multiwalled nanotubes
JP4823213B2 (ja) 半導体パッケージ、およびその製造方法
Franklin et al. Integration of suspended carbon nanotube arrays into electronic devices and electromechanical systems
Togonal et al. Effect of wettability on the agglomeration of silicon nanowire arrays fabricated by metal-assisted chemical etching
Joachim et al. Multiple atomic scale solid surface interconnects for atom circuits and molecule logic gates
JPH07333232A (ja) 探針を有するカンチレバーの形成方法
Sardan et al. Rapid prototyping of nanotube-based devices using topology-optimized microgrippers
Malshe et al. Investigation of nanoscale electro machining (nano-EM) in dielectric oil
CN111060720B (zh) 一种源于石墨烯边缘的微纳结构扫描探针加工方法
Miyake et al. Silicon nanofabrication by atomic force microscopy-based mechanical processing
Chang et al. Electrostatically actuated carbon nanowire nanotweezers
KR101671627B1 (ko) 그래핀을 촉매로 한 실리콘의 화학적 식각 방법
US10662550B2 (en) Diamond nanostructures with large surface area and method of producing the same
CN1885438B (zh) 微尖端线列器件
US6780664B1 (en) Nanotube tip for atomic force microscope
JP2005288636A (ja) ナノインデントエッジとアンチドット触媒配列を利用したカーボンナノチューブの形成法
US10611630B2 (en) Method for processing a monocrystalline substrate and micromechanical structure
EP2402082A2 (en) Method for forming a catalyst suitable for growth of carbon nanotubes
US9169117B1 (en) MEMS device and method of forming the same
Zhang et al. Active CMOS-MEMS conductive probes and arrays for tunneling-based atomic-level surface imaging
US9064667B2 (en) Systems and methods for implementing robust carbon nanotube-based field emitters
Bizyaev et al. Creation of lithographic masks using a scanning probe microscope

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant