CN112960657B - 一种无基底超薄功能薄膜材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能薄膜器件技术领域，公开了一种无基底超薄功能薄膜材料及制备方法，通过化学或物理刻蚀的方式将蒸镀、溅射、沉积在基底材料上的薄膜分离出来，然后在液体环境中将薄膜材料转载到带有中间孔的基片上，进而在基片的中孔区域形成无基底的功能薄膜材料。本发明在制备薄膜材料时具有可重复性，通过重复转载工艺可以实现多层无基底超薄功能薄膜的制备，并且可以调控薄膜之间的旋转角度。解决了功能薄膜材料离开基底难以稳定存在的难题，可广泛应用于分子筛选、离子过滤、强场物理中的固体密度等离子体靶的制备当中；广泛适用于沉积在各种基底上的各种薄膜材料，只需要根据基底材料的不同改变刻蚀液的配比。

Description

一种无基底超薄功能薄膜材料及制备方法

技术领域

本发明属于功能薄膜器件技术领域，尤其涉及一种无基底超薄功能薄膜材料及制备方法。

背景技术

目前：薄膜材料通常是指厚度处于单原子到毫米量级之间的金属、介电、或有机物薄层，而功能薄膜则特指在电、磁、光、热等方面具有特殊性质，或者在电、磁、光、热外部激励下呈现出特殊功能的薄膜材料。由于在物理、化学等方面的特殊性，功能薄膜材料常用作核心部件出现于各种仪器装备、精密传感、及基础科研当中。不断涌现的新型薄膜材料，如石墨烯、黑鳞、二硫化钨等，更是为功能薄膜材料基础及应用研究带了活力。通常情况下，对于薄膜材料的生长，由于工艺的限制，往往需要利用化学气相沉积、磁控溅射等将薄膜材料生长、沉积在合适的基底材料上。而对于薄膜材料的应用，比如作为分子筛、离子过滤、强场物理中的固体密度等离子体靶等，出于应用场景需求以及消除基底材料带来的影响，往往需要将薄膜材料与基底材料分离，实现功能薄膜材料使能区域的独立存在(无基底)以及旋转角度可控的多层堆叠等。然而，由于薄膜材料在厚度上极小，特别地，当薄膜厚度为微纳米量级时，机械性能受到极大影响，进而难以支撑自身而独立稳定地存在。这给薄膜材料的应用提出了挑战。因此，开发无基底超薄功能薄膜材料及其制备方法显得极具必要性，且具有广阔的应用场景。

通过上述分析，目前在功能薄膜材料应用开发中面临的问题及缺陷为：现有的功能薄膜材料往往是沉积在基底材料上的，而基底材料的存在影响功能薄膜材料的特性并限制着其的应用；无基底的功能薄膜材料由于机械强度较差难以精准操控，更难以实现旋转角度可控的多层堆叠。

解决以上问题及缺陷的难度为：薄膜材料在与基地材料进行分离、转载时，由于机械性能差，难以对其进行精密操控；设计功能薄膜材料的承载结构及转载装置，开发转载工艺，以满足功能薄膜材料的固定、精密操控和后续应用需求，存在较大的挑战。

解决以上问题及缺陷的意义为：可以实现功能薄膜材料使能区域的无基底独立存在；可以实现多层功能薄膜材料堆叠，且彼此间的旋转角度可控；可以消除基底材料对功能薄膜材料特性的影响、拓展功能薄膜材料的应用领域。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无基底超薄功能薄膜材料及制备方法。

本发明是这样实现的，一种无基底超薄功能薄膜材料的制备方法包括：通过化学或物理刻蚀的方式将蒸镀、溅射、沉积在基底材料上的薄膜分离出来，然后在液体环境中将薄膜材料转载到带有中间孔的基片上，进而在基片的中孔区域形成无基底的功能薄膜材料，从而解决功能薄膜材料难以独立存在的难。通过对转载基片进行功能化结构设计，转载成的薄膜样品可以直接通过接通测试引脚进行光、电等性能测试。需要指出的是薄膜材料种类可以是二维材料(如石墨烯、氧化石墨烯、黑磷、二硫化钼)，也可以是半导体纳米薄膜(如氮化硼)，还可以是介电纳米薄膜(如石英玻璃、蓝宝石、铌酸锂)。

进一步，所述无基底超薄功能薄膜材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)选用金属铜薄或其他材质做为基底材料，进行裁剪和清洗准备工作；

(2)利用真空蒸镀、磁控溅射、气相沉积等传统镀膜工艺将超薄功能薄膜沉积于基底材料；

(3)配好对应种类的刻蚀液，并取一定量放于薄膜转载器皿中静置；

(4)将设计加工好的转载基片置于器皿中央最底部，将带有基底材料的功能薄膜置于刻蚀液中，并使其处于转载基片中心孔的正上方；

(5)利用浸刻蚀液的套筒结构套住功能薄膜和转载基片中心孔，使得刻蚀过程中功能薄膜始终处于转载基片中心孔的正上方，通过旋转套筒角度，可以调控薄膜沉积时的旋转角；

(6)待刻蚀过程结束后，一边向器皿中注入去离子水，一边抽取混合液，一直到器皿中的液体全部被替换为去离子水为止；

(7)抽取完去离子水，使得功能薄膜落在转载基片的中心孔上，并进行后续的干燥处理，使得薄膜与转载基片粘合牢固，即可得到使能区域无基底的超薄功能薄膜材料。

进一步，通过重复第(3)到第(7)步，可以以不同的旋转角度叠加沉积多层薄膜。

进一步，所述转载基片中间有通孔，通孔外围设置有用于承载薄膜的支撑台，支撑台上表面周向分布有用于光、电特性测试的金属引脚。

进一步，所述转载基片上表面还设置有角度对准标志。

进一步，所述转载套筒中间开设有方形或圆形通孔，所述转载套筒外壁刻有周向的角度标尺。用于旋转、调控薄膜的沉积角度。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法制备的无基底超薄功能薄膜材料。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法制备的无基底h-BN功能薄膜材料。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法制备的多层无基底石墨烯功能薄膜材料。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

(1)本发明所提供的无基底超薄功能薄膜的制备及制备方法解决了功能薄膜材料离开基底难以稳定存在的难题，可广泛应用于分子筛选、离子过滤、强场物理中的固体密度等离子体靶的制备当中。

(2)本发明所提供的无基底超薄功能薄膜制备方法广泛适用于沉积在各种基底上的各种薄膜材料，只需要根据基底材料的不同改变刻蚀液的配比。

(3)本发明所提供的无基底超薄功能薄膜制备方法制备出的薄膜样品，当采用了具有功能化结构的转载基片时，薄膜样品可通过接通测试引脚进行光电等性能测试。

(4)本发明所提供的无基底超薄功能薄膜制备方法，在薄膜尺寸控制、装载方位调控下具有极大的灵活性。

(5)本发明所提供的无基底超薄功能薄膜制备方法，再镀膜时具有可重复性，通过重复转载工艺可以实现多层无基底超薄功能薄膜的制备，并且可以调控薄膜之间的旋转角度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的转载基片的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的转载套筒的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的无基底超薄功能薄膜材料制备工艺示意图。

图5是本发明实施例提供的制备成的无基底双层带旋转角的功能薄膜材料示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无基底超薄功能薄膜材料及制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法包括：

S101，选用金属铜薄或其他材质做为基底材料，进行裁剪和清洗准备工作；

S102，利用真空蒸镀、磁控溅射、气相沉积等传统镀膜工艺将超薄功能薄膜沉积于基底材料；

S103，配好对应种类的刻蚀液，并取一定量放于薄膜转载器皿中静置；

S104，将设计加工好的转载基片置于器皿中央最底部，将带有基底材料的功能薄膜置于刻蚀液中，并使其处于转载基片中心孔的正上方；

S105，利用浸刻蚀液的套筒结构套住功能薄膜和转载基片中心孔，使得刻蚀过程中功能薄膜始终处于转载基片中心孔的正上方，通过旋转套筒角度，可以调控薄膜沉积时的旋转角；

S106，待刻蚀过程结束后，一边向器皿中注入去离子水，一边抽取混合液，一直到器皿中的液体全部被替换为去离子水为止；

S107，抽取完去离子水，使得功能薄膜落在转载基片的中心孔上，并进行后续的干燥处理，使得薄膜与转载基片粘合牢固，即可得到使能区域无基底的超薄功能薄膜材料。

如图2所示，本发明实施例中的转载基片中间开设有通孔，通孔外围设置有用于承载薄膜的支撑台，支撑台上表面周向分布有用于光、电特性测试的金属引脚。转载基片上表面还设置有角度对准标志。

如图3所示，本发明实施例中的转载套筒中间开设有方形或圆形通孔，转载套筒外壁刻有周向的角度标尺。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：无基底h-BN功能薄膜材料及其制备方法

(1)准备10个直径为1cm、厚度为25μm的金属铜薄为基底材料，并进行超声清洗和干燥处理；

(2)利用传统的化学气相沉积法将h-BN功能薄膜沉积于基底材料上，生长工艺已经很成熟，并被广泛报道；

(3)配制体积为1L浓度为1mol/L的氯化铁化学刻蚀液，并取30mL放于薄膜转载器皿中静置；

(4)将设计加工好的直径2cm的玻璃材质转载基片置于器皿中央最底部，转载基片中心通孔的直径为6mm，取一片带有基底材料的功能薄膜置于刻蚀液中(由于液体表面张力而浮于表面)，并使其处于转载基片中心孔的正上方；

(5)利用浸刻蚀液材质的套筒(内径12mm，外径15mm)将功能薄膜和转载基片中心孔套住，使得刻蚀过程中功能薄膜中心始终与转载基片中心孔同轴，且处于其正上方；

(6)待刻蚀过程结束后，一边向器皿中注入去离子水，一边抽取混合液，一直到器皿中的液体全部被替换为去离子水为止；

(7)抽取完去离子水，使得功能薄膜落在转载基片的中心孔上，并进行后续的干燥处理，使得薄膜与转载基片粘合牢固，即可得到使能区域无基底的h-BN功能薄膜材料。

(8)当转载过程中采用具有功能化结构的转载基片时，转载成的薄膜样品可以直接通过接通测试引脚进行光电等性能测试。

实施例2：多层无基底石墨烯功能薄膜材料及其制备方法

(1)准备10个边长为1cm、厚度为25μm的立方形金属铜薄为基底材料，并进行超声清洗和干燥处理；

(2)利用传统的化学气相沉积法将单层石墨烯沉积于基底材料上，生长工艺已经很成熟，并被广泛报道；

(3)配好适用于铜基底的氯化铁刻蚀液，并取30mL放于薄膜转载器皿中静置；

(4)将设计加工好的直径3cm的玻璃材质转载基片置于器皿中央最底部，转载基片中心通孔的直径为6mm，取一片带有基底材料的功能薄膜置于刻蚀液中(由于液体表面张力而浮于表面)，并使其处于转载基片中心孔的正上方；

(5)利用浸刻蚀液材质的套筒(内孔截面为边长1.2cm的正方形，外径2.0cm)将功能薄膜和转载基片中心孔套住，使得刻蚀过程中功能薄膜中心始终与转载基片中心孔同轴，且处于其正上方，并将筒径上的0°标志线与转载基片上的标志点对准；

(6)待刻蚀过程结束后，一边向器皿中注入去离子水，一边抽取混合液，一直到器皿中的液体全部被替换为去离子水为止；

(7)抽取完去离子水，使得功能薄膜落在转载基片的中心孔上，并进行后续的干燥处理，使得薄膜与转载基片粘合牢固，即可得到使能区域无基底的单层石墨烯功能薄膜材料。

(8)再取一片带有基底材料的石墨烯功能薄膜，重复以上转载工艺，该过程中让筒径上的30°与转载基片上的标志点对准；

(9)刻蚀结束并进行干燥处理后，可以得到双层的无基底石墨烯功能薄膜材料，且两层之间的存在30°的旋转夹角；

(10)以此步骤还可以进一步增加薄膜的层数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无基底超薄功能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述无基底超薄功能薄膜材料的制备方法包括：通过化学刻蚀的方式将沉积在基底材料上的薄膜分离出来，然后在液体环境中将薄膜材料转载到带有中间孔的基片上，进而在基片的中孔区域形成无基底的功能薄膜材料；

所述无基底超薄功能薄膜材料的制备方法包括：

（1）选用金属铜箔或其他材质做为基底材料，进行裁剪和清洗准备工作；

（2）利用镀膜工艺将超薄功能薄膜沉积于基底材料；

（3）配好对应种类的刻蚀液，并取一定量放于薄膜转载器皿中静置；

（4）将设计加工好的转载基片置于器皿中央最底部，将带有基底材料的功能薄膜置于刻蚀液中，并使其处于转载基片中心孔的正上方；

（5）利用浸刻蚀液的转载套筒套住功能薄膜和转载基片中心孔，使得刻蚀过程中功能薄膜始终处于转载基片中心孔的正上方，通过旋转转载套筒角度，调控薄膜沉积时的旋转角；

（6）待刻蚀过程结束后，一边向器皿中注入去离子水，一边抽取混合液，一直到器皿中的液体全部被替换为去离子水为止；

（7）抽取完去离子水，使得功能薄膜落在转载基片的中心孔上，并进行后续的干燥处理，使得薄膜与转载基片粘合牢固，即可得到在基片的中孔区域形成无基底的超薄功能薄膜材料。

2.如权利要求1所述的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述基底材料具有可刻蚀性，液体环境中薄膜转载过程中要对薄膜位置进行锁定。

3.如权利要求1所述的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法，其特征在于，通过重复第（3）到第（7）步，以不同的旋转角度叠加沉积多层薄膜。

4.如权利要求1所述的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述转载基片中间有通孔，通孔外围设置有用于承载薄膜的支撑台，支撑台上表面周向分布有用于光、电特性测试的金属引脚。

5.如权利要求1所述的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述转载基片上表面还设置有角度对准标志。

6.如权利要求1所述的无基底超薄功能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述转载套筒中间开设有方形或圆形通孔，所述转载套筒外壁刻有周向的角度标尺。

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