TW201805489A

TW201805489A - 圖案化單晶薄膜的製造方法以及圖案化裝置與組裝其的方法

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Publication number: TW201805489A
Application number: TW106117476A
Authority: TW
Inventors: 艾瑞克加尼特; 貝尼亞米諾夏卡; 安瑪莉柏克豪特
Original assignee: 荷蘭史迪克汀艾能吉翁德卓克中心
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-02-16
Also published as: WO2017204646A1; NL2016849B1

Abstract

本發明關於一種所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，所述所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法包含以下步驟：提供多個所選材料之奈米立方體粒子；使奈米立方體粒子彼此相鄰組裝，從而根據圖案對經組裝之奈米立方體粒子排序，且相鄰奈米立方體粒子之結晶取向相同；在各界面處磊晶熔接根據圖案排序之奈米立方體粒子，以形成圖案化單晶薄膜。上述方法可包含自至少一個具有第一圖案之第一圖案化單晶薄膜組裝圖案化裝置，其中第一圖案化單晶薄膜已藉由用於製造圖案化單晶薄膜的方法形成。

Description

圖案化單晶薄膜的製造方法以及圖案化裝置與組裝其的方法

本發明是關於一種圖案化單晶薄膜的製造方法。此外，本發明是關於一種自至少一個第一圖案化單晶薄膜組裝圖案化裝置的方法。本發明亦關於一種圖案化單晶層及一種圖案化裝置。

在半導體、諸如積體電路及太陽能電池之電子或光電裝置中獲得極限效能需要使用已移除幾乎所有缺陷（諸如晶粒界）之材料。然而，目前不存在使這些裝置中在宏觀區域上經圖案化之薄膜達到所述高結晶品質（稱為單晶（monocrystalline/ single-crystalline））之簡單且低成本方法。對於許多材料，其甚至不可能以工業相關方式製造連續單晶薄膜。現行方法需要昂貴且緩慢的製程：通常自熔融浴液結晶（鑄錠形成及拉晶）或在現有單晶基板上真空分解超純源氣體（磊晶）。隨後，蝕刻掉大量完美晶體以形成所要圖案（「自上而下」方法），其浪費材料及成本，且同時形成降低效能之表面缺陷。

自克勞斯（Kraus）等人在《自然奈米技術（Nature Nanotechnology）》第2卷，2007年9月（doi：10.1038/nnano.2007.262）中之公開案，已知一種以單一粒子分解印刷奈米結晶之方法。在製程中，使用定向組裝將分散的奈米粒子明確地排列於結構性表面上。模板之幾何圖形界定奈米粒子之排列位置。

本發明之一目標為提供一種克服先前技術之一或多種缺點的方法。本發明之另一目標為圖案化單晶薄膜本身。

本發明之目標由所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法來達成，所述方法包括以下步驟： -提供多個所述材料之奈米立方體粒子； -使奈米立方體粒子彼此相鄰組裝，從而根據圖案對經組裝之奈米立方體粒子排序，且相鄰奈米立方體粒子之結晶取向相同； -在各界面處磊晶熔接根據圖案排序之奈米立方體粒子，以形成圖案化單晶薄膜。

所述方法限定當以預定圖案對奈米立方體粒子排序以形成所要結構時，以使相鄰奈米立方體粒子之立方體面彼此相對的方式排列奈米立方體粒子。圖案亦包含連續層。

排序之奈米立方體粒子的磊晶熔接限定當奈米立方體粒子結晶取向相同時，其在相鄰立方體面處接合，從而形成單晶薄膜且移除奈米立方體之間的晶粒界。因此，所述方法限定將奈米立方體粒子中之圖案轉移至將具有相同圖案之單晶薄膜上。

另外，由於移除鄰接粒子之間的界面，因此薄膜中之缺陷數目明顯減少。此可改善諸如導電性、載子使用期限以及載子移動率之特性。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中奈米立方體粒子為單晶的且具有實質上立方體形狀。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中奈米立方體粒子之尺寸為約200奈米或小於200奈米。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中所選材料具有四重對稱性之結晶相。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中奈米立方體粒子藉由以下方法彼此相鄰組裝：使用具有對應於圖案之凹部的模板，且將奈米立方體粒子排列於凹部中。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中磊晶熔接包括：使根據圖案排序之奈米立方體粒子暴露於一種液體，所述液體含有至少作為一種組分之所選材料的前體。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中選擇含有至少作為一種組分之所選材料的前體之液體中前體的濃度，使其低於在熔接溫度下於所述液體中引起奈米立方體粒子之均勻成核之前體的濃度。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中在鄰接奈米立方體粒子之間的界面處，單晶連接夾層形成自含有至少作為一種組分之所選材料之前體的液體。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中磊晶熔接包括：用光源輻射根據圖案排序之奈米立方體粒子。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中磊晶熔接包括：對根據圖案排序之奈米立方體粒子進行退火。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，更包括：在熔接後，將圖案化單晶薄膜自模板轉移至基板。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中在根據圖案排序之奈米立方體粒子處於模板中時對其進行磊晶熔接。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，更包括：在磊晶熔接之前，將根據圖案排序之經組裝之奈米立方體粒子自模板轉移至基板。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中在根據圖案排序之奈米立方體粒子處於基板上時對其進行磊晶熔接。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中在第二液體中合成奈米立方體粒子，所述第二液體含有至少作為組分之所選材料的前體，其濃度在合成期間之溫度下引起液體中之均勻成核。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中所選材料為來自包括以下之族群中的一者：Ag、Au、Cu、Pd、Pt、Rh、Co、Fe、FeCo、Pt₃ Co、Ni₃ Al、Pt₃ Ir、InSn。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中所選材料為來自包括以下之族群中的一者：CsPbBr₃ 、PbS、Cu₂ O、Co₃ O₄ 、CsPbI₃ 、ZnSnO₄ 、FeS₂ 、Fe₂ O₃ 、Cu₃ N、CuInS₂ 、NiS₂ 、ZnS。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中所選材料為來自包括以下之族群中的一者：CeO₂ 、MgO、TiO₂ 、BaTiO₃ 、BiFeO₃ 、SrTiO₃ 、NaTaO₃ 、KNbO₃ 、LiF、CaF₂ 。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之方法，其中圖案化單晶薄膜之厚度對應於奈米立方體粒子之尺寸。

根據一態樣，本發明是關於一種自至少一個具有第一圖案之第一圖案化單晶薄膜組裝圖案化裝置的方法，其中第一圖案化單晶薄膜已藉由如上文所描述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法形成，其中所述方法包括：提供基板，且隨後將第一圖案化單晶薄膜自模板轉移至基板之表面上。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，其中將第一圖案化單晶薄膜自模板轉移至基板之表面上包括：當第一圖案化單晶薄膜處於模板中時，使其預先與基板對準。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，其中基板之表面包括圖案化層；將第一圖案化單晶薄膜自模板轉移至基板之表面上包括：當第一圖案化單晶薄膜處於模板中時，使第一圖案化單晶薄膜之第一圖案預先與圖案化層對準。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，包括重複至少一次以下步驟： i）根據如上文所定義之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法形成具有相關圖案之額外圖案化單晶薄膜； ii）使模板中之額外圖案化單晶薄膜的相關圖案與先前轉移之圖案化單晶薄膜的圖案對準；以及 iii）隨後將額外圖案化單晶薄膜轉移至先前轉移之圖案化單晶薄膜上。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，其中相關圖案與先前轉移之圖案相同。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，其中相關圖案與先前轉移之圖案不同。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，其中先前轉移之圖案化單晶薄膜的所選材料與隨後轉移之額外圖案化單晶薄膜的所選材料相同。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，其中先前轉移之圖案化單晶薄膜的所選材料與隨後轉移之額外圖案化單晶薄膜的所選材料不同。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，其中至少包括轉移之圖案化單晶薄膜或者轉移之圖案化單晶薄膜與至少一個隨後轉移之額外圖案化單晶薄膜的圖案化裝置為單晶的。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，更包括將圖案化層印刷於先前轉移之單晶薄膜頂部上的步驟。

根據一態樣，本發明提供如上文所描述之組裝圖案化裝置的方法，其中轉移步驟之後為加熱步驟。

根據一態樣，本發明是關於一種圖案化裝置，包括基板及至少一個具有第一圖案之所選材料的第一圖案化單晶薄膜，其中所選材料具有四重對稱性之結晶相，且單晶薄膜之＜100＞晶向垂直於第一圖案之邊緣。

本發明的有利實施例進一步由附屬申請專利範圍定義。

本發明之方法是關於在宏觀區域上經圖案化之單晶層或單晶薄膜的形成。在此上下文中，圖案化單晶層亦包含單晶材料之連續層。

所述方法藉由自具有對應於各別（100）結晶平面之光滑立方體表面的單晶奈米粒子形成圖案化單晶層或薄膜來提供一種「自下而上」方法。由於各立方體表面均處於（100）結晶平面家族，所以連接相鄰奈米粒子將產生較大單晶組裝體。

在一實施例中，奈米粒子由奈米立方體（即單晶立方體粒子）組成。奈米立方體之尺寸在亞微米範圍內（小於約1微米，例如小於約100奈米或甚至小至約2奈米）。

圖1示意性地顯示根據本發明之一實施例的方法之初始步驟。

在初始階段中，合成奈米立方體粒子5。各種合成方法均可使用，諸如溶膠-凝膠合成及膠體合成。

製備包括奈米立方體材料之前體的液體L1。以出現均勻成核且形成懸浮於液體L1中之單晶粒子（即奈米立方體5）之方式控制液體L1中之諸如溫度及前體之濃度的條件。

作為膠體合成之非限制性實例，可經由使用戊二醇、硝酸銀、氯化銅以及聚乙烯吡咯啶酮之封端劑的多元醇反應來形成銀奈米立方體。本領域的技術人員應瞭解可以類似方式製備其他奈米立方體材料。一些已藉由膠體合成製備之材料包含（但不限於）：金屬（Ag、Cu、Ni、Au、Pt、Pd、Rh、Co、Fe、FeCo、Pt₃ Co、Ni₃ Al、Pt₃ Ir、InSn）、半導體（CsPbBr₃ 、PbS、Cu₂ O、Co₃ O₄ 、CsPbI₃ 、ZnSnO₄ 、FeS₂ 、Fe₂ O₃ 、Cu₃ N）以及絕緣體（CeO₂ 、MgO、TiO₂ 、BaTiO₃ 、BiFeO₃ 、SrTiO₃ 、NaTaO₃ 、KNbO₃ 、LiF、CaF₂ ）。

圖1顯示液體L1存在於其中之容器1，所述液體L1包括前體。藉由均勻成核所形成之奈米立方體5懸浮於液體L1中。

通常，奈米立方體5具有立方體形狀，其表面對應於（100）結晶平面，即晶體或相關晶格平面家族之（100）晶格平面。

圖2A至圖2C示意性地顯示根據本發明之一實施例的方法之後續組裝步驟。

為了形成圖案化單晶薄膜或層，在含有任意圖案（包含連續層之圖案）的模板中組裝奈米立方體粒子，亦即，使粒子彼此相鄰定位，以使其表面面向彼此且形成相鄰奈米立方體之間的界面。根據預定圖案放置經組裝之奈米立方體。在一實施例中，模板為例如基於聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）之可撓性橡膠模具。在一片聚二甲基矽氧烷中，使用例如平版印刷技術根據所要圖案形成溝槽圖案。圖2A顯示具有溝槽圖案P之模板薄片3的示意及透視圖。圖2B顯示圖2A之模板薄片沿線IIB-IIB之截面。

聚二甲基矽氧烷模板薄片中之溝槽7的寬度9與合成製程中所形成之奈米立方體5的尺寸相匹配。可選擇溝槽7之深度11，使其僅可容納單層奈米立方體粒子。視情況，可選擇溝槽7之深度11，使其大於個別奈米立方體粒子5之厚度。以此方式，溝槽7可容納奈米立方體粒子5之多個堆疊層。

為了將奈米立方體5組裝至模板薄片3上的圖案P中，使模板薄片3與含有奈米立方體粒子5之液體L1接觸。藉由在薄片3與液體L1之間施加相對移動，使液體表面掃過圖案P，於溝槽7中捕獲奈米立方體粒子5。奈米立方體粒子歸因於凡得瓦爾力（van der Waals force）而黏附於溝槽且亦彼此黏附。以此方式，根據溝槽圖案P在模板薄片中形成奈米立方體粒子串。

圖2C示意性地顯示組裝製程，其中自含有奈米立方體粒子之液體L1中移除模板薄片3。於模板薄片之溝槽7中收集奈米立方體粒子5。移除方向由箭頭13指示。

圖3顯示組裝步驟之示意性結果的平面視圖。

在模板薄片3中，根據圖案P中之溝槽7的佈置來排列奈米立方體粒子5。如上文所闡述，將奈米立方體組裝至溝槽7中（經組裝之奈米立方體5a），其中相鄰奈米立方體之表面形成界面15。

由於奈米立方體粒子實質上呈立方體形狀，所以相鄰組裝之奈米立方體粒子5a的空間取向相同。

圖4示意性地顯示根據本發明之一實施例的轉移步驟。

在組裝步驟（圖3）之後，將經組裝之奈米立方體粒子5a轉移至基板20之表面21。以經組裝之奈米立方體粒子5a以理想位置排列於基板20上的方式放置模板薄片3且使模板薄片3與基板20對準。隨後使模板薄片3與表面21接觸。接著，自模板薄片3剝離經組裝之奈米立方體粒子5a，且將經組裝之奈米立方體粒子5a轉移至表面21；移除模板薄片3。經組裝之奈米立方體粒子5a的剝離可藉由乾燥接觸或藉由將經組裝之奈米立方體粒子5a執行於減小奈米立方體粒子5a與模板薄片3之黏附力的液體的暴露23來進行。舉例而言，乙醇可提供所述用途。

如將參考圖6進行闡述，除轉移至基板表面之外，亦可使經組裝之奈米立方體粒子與已在先前組裝步驟中轉移之奈米立方體粒子的圖案化層對準且轉移至其上。

圖5A至圖5C示意性地顯示根據本發明之一實施例的熔接步驟之替代方案。

在轉移步驟（圖4）之後或之前，將經組裝之奈米立方體粒子5a熔接在一起以製造宏觀圖案化單晶層25。

本領域的技術人員應瞭解，經組裝之奈米立方體粒子歸因於凡得瓦爾黏附力將維持其經組裝之構形。因此，熔接步驟與轉移步驟可互換。

在熔接步驟期間，存在於相鄰奈米立方體粒子5a之間的介面15將合併，且經組裝之奈米立方體粒子5a將在界面位置處形成具有實質上無缺陷接面之連續單晶粒子25，其是因兩個表面具有相同結晶取向。

根據本發明，熔接可以各種方式實現。

在圖5A中所示之第一實施例中，製造方法包括將界面15暴露於輻射R之步驟，其由於局部溫度提高而引起界面15之等離子熔接。放置諸如雷射束或寬頻帶光源之輻射源30以照射經組裝之奈米立方體粒子5a。如上文所闡述，經組裝之奈米立方體粒子可位於模板薄片3中或位於基板20之表面21上。奈米立方體粒子5a暴露於輻射之時間足以使界面15合併且在相鄰奈米立方體粒子之間形成實質上無缺陷之接面。

應視奈米立方體粒子之材料而選擇具有適當能量及波長之輻射源30。舉例而言，針對尺寸在30至100奈米範圍內的銀奈米立方體，可使用以1至1000毫瓦範圍內的功率在400至700奈米範圍內發光之寬頻帶光源。

在如圖5B中所示之第二實施例中，製造方法包括使經組裝之奈米立方體粒子5a之間的界面15進行化學熔接之步驟。根據此實施例，將經組裝之奈米立方體粒子5a轉移至容器17且使其暴露於「熔接」液體L2，所述熔接液體L2包括奈米立方體粒子材料之前體及還原劑。使熔接液體L2與界面15接觸。前體在界面15處與奈米立方體粒子5a之對接表面反應，其反應方式使得奈米立方體粒子之磊晶生長出現且橋接界面15以形成對接表面之間的無缺陷接面，在所述接面中沈積之材料的結晶取向與奈米立方體粒子之表面相同。

根據諸如溫度及前體濃度之參數選擇熔接液體L2中之條件，其選擇方式使得僅自前體產生材料之非均勻成核，亦即，所述材料生長於外部晶核上，在此情況下為奈米立方體粒子5a之表面上。

在如圖5C中所示之第三實施例中，製造方法包括退火步驟。在退火期間，在爐19中於退火溫度T1下加熱經組裝之奈米立方體粒子。以出現界面合併且單晶磊晶接面形成於相鄰奈米立方體粒子之間的方式選擇退火溫度與退火時間之組合。可視需要在退火期間控制環境條件。

圖6示意性地顯示根據本發明之一實施例的進一步步驟。

在所述進一步步驟（或堆疊步驟）中，藉由堆疊多個（亦即，至少兩個）圖案化單晶層或薄膜7a、圖案化單晶層或薄膜7b、圖案化單晶層或薄膜7c、圖案化單晶層或薄膜7d來組裝圖案化單晶裝置40。根據如上文參考圖1至圖5C所描述之方法製造個別圖案化單晶薄膜7a、圖案化單晶薄膜7b、圖案化單晶薄膜7c、圖案化單晶薄膜7d。

基板20上存在基底層31。所述基底層31為待形成之單晶裝置40的功能層；舉例而言，功能層31為導電層或絕緣層。功能層可視需要圖案化。

在將第一圖案化單晶薄膜7a轉移至基板上之後，使下一圖案化單晶層7b與前述圖案化單晶薄膜7a的頂部對準且將所述圖案化單晶層7b佈置於其頂部上。可使用一或多個額外圖案化單晶層7c、圖案化單晶層7d重複此堆疊，直至完成單晶裝置40中之所需組成圖案。

單晶裝置40之組成圖案由相繼堆疊於彼此上的個別圖案化單晶層7a、圖案化單晶層7b、圖案化單晶層7c、圖案化單晶層7d之各別圖案所確定。在圖6中，個別單晶層7a、單晶層7b、單晶層7c、單晶層7d之圖案示意性地由各層中空隙V的存在來表示。

另外，在圖案化單晶裝置40之自由表面32上可印刷一或多個額外圖案化層34或元件，以形成例如導電接觸層。

可在熔接製程之前或之後形成印刷圖案化層34以形成圖案化單晶裝置。

應注意，在組裝製程期間亦可使不同奈米立方體材料之圖案化單晶層彼此堆疊。此允許（例如）藉由使用金屬單晶層、半導體單晶層以及絕緣體單晶層形成分層結構以獲得功能性裝置。

在一實例中，單晶層7a、單晶層7b以及單晶層7d由第一奈米立方體材料組成，而單晶層7b與單晶層7d之間的單晶層7c則由不同於第一奈米立方體材料之第二奈米立方體材料組成。

圖7示意性地顯示根據本發明之一實施例的模板薄片之截面。可藉由提供存在具有各別不同寬度9、寬度59之溝槽7、溝槽57的模板薄片50來將兩種或多於兩種不同奈米立方體材料之圖案併入單層中。藉由形成不同材料之不同尺寸的奈米立方體，有可能在同一層中形成不同奈米立方體材料之圖案。一種尺寸對應於較寬溝槽57之寬度59的奈米立方體材料55將組裝於這些較寬溝槽中，而另一種尺寸對應於模板中窄溝槽7之較小寬度9的奈米立方體材料5將組裝於這些窄溝槽中。如本領域的技術人員將瞭解，此方法可擴展至三種或多於三種其各別奈米立方體具有相應不同尺寸之奈米立方體材料。

另外，應注意，由於奈米立方體粒子為單晶立方體，所以製造方法限定單晶層具有其之[100]晶面平行於圖案之邊緣的明顯結晶取向。圖8顯示奈米立方體粒子之透視圖，其中顯示結晶晶格方向＜100＞。＜100＞方向垂直於奈米立方體之表面。

相較於先前技術，本發明具有一些優點。 --較低成本， --相同製程步驟可用於許多不同材料， --在無額外平版印刷步驟之情況下圖案化（僅1次平版印刷以製造組裝罩母板）， --無需蝕刻，因此無需發展蝕刻化學方法， --無需蝕刻意謂無表面損壞，以此方法獲得之半導體的表面狀態可能遠低於經由單晶塊之標準蝕刻程序獲得之圖案化半導體， --使用簡單及快速轉移之可能的超薄層（無需蝕刻或剝離）， --無需昂貴磊晶基板， --多層印刷能夠將不同的單晶材料便利地組合至同一裝置堆疊中。

根據本發明之製造方法及圖案化單晶薄膜兩者均可以各種方式加以應用，例如：用於光伏打裝置、觸控螢幕、LED、顯示器（金屬之組裝/熔接）之透明導體；光伏打裝置、LED、電池、電晶體、光偵測器、壓電材料、鐵磁體、多鐵性體、相變或磁性記憶體、固體離子導體（半導體）中之活性層；電晶體、電容器、叉指形反向接觸式太陽能電池中之絕緣層。

另外，奈米立方體材料自任何具有立方體結構之材料中選出，更特定而言，其自任何可製造奈米立方體粒子之立方體材料中選出。所述奈米立方體材料至少可自以下清單中選出：包括Au、Cu、Pd、Pt、Rh、Co、Fe、FeCo、Pt₃ Co、Ni₃ Al、Pt₃ Ir、InSn之族群；包括CsPbBr₃ 、PbS、Cu₂ O、Co₃ O₄ 、CsPbI₃ 、ZnSnO₄ 、FeS₂ 、Fe₂ O₃ 、Cu₃ N、CuInS₂ 、NiS₂ 、ZnS之族群；包括CeO₂ 、MgO、TiO₂ 、BaTiO₃ 、BiFeO₃ 、SrTiO₃ 、NaTaO₃ 、KNbO₃ 、LiF以及CaF₂ 之族群。

已參考如上文所論述之一些實施例來描述本發明。將認識到在不脫離本發明之範疇的情況下，這些實施例易受本領域的技術人員熟知的各種修改及替代形式之影響。因此，雖然已描述特定實施例，但其僅為實例且不限制如所附申請專利範圍所界定之本發明的範疇。

1‧‧‧容器
3‧‧‧模板薄片
5‧‧‧奈米立方體粒子/奈米立方體材料
5a‧‧‧奈米立方體粒子
7‧‧‧溝槽
7a‧‧‧第一圖案化單晶薄膜/第一圖案化單晶層
7b‧‧‧圖案化單晶薄膜/圖案化單晶層
7c‧‧‧圖案化單晶薄膜/圖案化單晶層
7d‧‧‧圖案化單晶薄膜/圖案化單晶層
9‧‧‧溝槽寬度
11‧‧‧溝槽深度
13‧‧‧移除方向箭頭
15‧‧‧界面
17‧‧‧容器
19‧‧‧爐
20‧‧‧基板
21‧‧‧基板表面
23‧‧‧暴露
25‧‧‧圖案化單晶層/連續單晶粒子
30‧‧‧輻射源
31‧‧‧基底層/功能層
32‧‧‧圖案化單晶裝置之自由表面
34‧‧‧印刷之圖案化層
40‧‧‧圖案化單晶裝置
50‧‧‧模板薄片
55‧‧‧奈米立方體材料
57‧‧‧溝槽
59‧‧‧溝槽寬度
IIB-IIB‧‧‧線
L1‧‧‧液體
L2‧‧‧熔接液體
P‧‧‧溝槽圖案
R‧‧‧輻射
T1‧‧‧退火溫度
V‧‧‧空隙

下文將參考圖式來更詳細地闡述本發明，在圖式中顯示本發明的說明性實施例。圖式僅僅意欲出於說明之目的而不限定本發明之概念。本發明之範疇僅由所附申請專利範圍中所呈現的定義限制。圖1示意性地顯示根據本發明之一實施例的方法之初始步驟。圖2A至圖2C示意性地顯示根據本發明之一實施例的方法之後續組裝步驟。圖3顯示組裝步驟之示意性結果。圖4示意性地顯示根據本發明之一實施例的轉移步驟。圖5A至圖5C示意性地顯示根據本發明之一實施例的後續步驟之替代方案。圖6示意性地顯示根據本發明之一實施例的進一步步驟。圖7示意性地顯示根據本發明之一實施例的模板薄片之截面。圖8顯示奈米立方體粒子之透視圖。

3‧‧‧模板薄片

5a‧‧‧奈米立方體粒子

15‧‧‧界面

P‧‧‧溝槽圖案

Claims

一種所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，包括以下步驟：提供多個所述所選材料之奈米立方體粒子；使所述奈米立方體粒子彼此相鄰組裝，從而根據所述圖案對經組裝之所述奈米立方體粒子排序，且相鄰奈米立方體粒子之結晶取向相同；以及在各界面處進行根據所述圖案排序之所述奈米立方體粒子之磊晶熔接，以形成所述圖案化單晶薄膜。
如申請專利範圍第1項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中所述奈米立方體粒子為單晶的且具有實質上立方體形狀。
如申請專利範圍第2項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中所述奈米立方體粒子之尺寸為約200奈米或小於200奈米。
如前述申請專利範圍中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中所述所選材料具有四重對稱性之結晶相。
如申請專利範圍第1項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中所述奈米立方體粒子藉由使用具有對應於所述圖案之凹部的模板且將所述奈米立方體粒子排列於所述凹部中而彼此相鄰組裝。
如前述申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中進行所述磊晶熔接包括：使根據所述圖案排序之所述奈米立方體粒子暴露於液體，所述液體含有至少作為組分之所述所選材料的前體。
如申請專利範圍第6項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中選擇所述液體中之所述前體的濃度，使其低於在進行所述磊晶熔接之溫度下於含有所述至少作為組分之所述所選材料之前體的所述液體中引起奈米立方體粒子之均勻成核之所述前體的濃度。
如申請專利範圍第6項或第7項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中在鄰接的所述奈米立方體粒子之間的界面處，自含有所述至少作為組分之所述所選材料之前體的所述液體形成單晶連接夾層。
如前述申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中進行所述磊晶熔接包括：用光源輻射根據所述圖案排序之所述奈米立方體粒子。
如前述申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中進行所述磊晶熔接包括：對根據所述圖案排序之所述奈米立方體粒子進行退火。
如申請專利範圍第5項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，更包括：在進行所述磊晶熔接後，將所述圖案化單晶薄膜自所述模板轉移至基板。
如申請專利範圍第9項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中在根據所述圖案排序之所述奈米立方體粒子處於所述模板中時對其進行磊晶熔接。
如申請專利範圍第5項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，更包括：在進行所述磊晶熔接之前，將根據所述圖案排序之經組裝之所述奈米立方體粒子自所述模板轉移至基板。
如申請專利範圍第13項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中在根據所述圖案排序之所述奈米立方體粒子處於所述基板上時對其進行所述磊晶熔接。
如申請專利範圍第1項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中在第二液體中合成所述奈米立方體粒子，所述第二液體含有至少作為組分之所述所選材料的前體，所述至少作為組分之所述所選材料的前體的濃度在合成期間之溫度下引起所述液體中之均勻成核。
如前述申請專利範圍中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中所述所選材料為來自包括以下之族群中的一者：Ag、Au、Cu、Pd、Pt、Rh、Co、Fe、FeCo、Pt₃ Co、Ni₃ Al、Pt₃ Ir、InSn。
如前述申請專利範圍第1項至第15項中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中所述所選材料為來自包括以下之族群中的一者：CsPbBr₃ 、PbS、Cu₂ O、Co₃ O₄ 、CsPbI₃ 、ZnSnO₄ 、FeS₂ 、Fe₂ O₃ 、Cu₃ N、CuInS₂ 、NiS₂ 、ZnS。
如前述申請專利範圍第1項至第15項中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中所述所選材料為來自包括以下之族群中的一者：CeO₂ 、MgO、TiO₂ 、BaTiO₃ 、BiFeO₃ 、SrTiO₃ 、NaTaO₃ 、KNbO₃ 、LiF、CaF₂ 。
如前述申請專利範圍第3項至第18項中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法，其中所述圖案化單晶薄膜之厚度對應於所述奈米立方體粒子之尺寸。
一種組裝圖案化裝置的方法，所述圖案化裝置自至少一個具有第一圖案之第一圖案化單晶薄膜組裝，其中所述第一圖案化單晶薄膜已藉由如申請專利範圍第1項至第19項中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法形成，所述方法包括：提供基板；以及隨後將所述第一圖案化單晶薄膜自所述模板轉移至所述基板之表面上。
如申請專利範圍第20項所述之組裝圖案化裝置的方法，其中轉移所述第一圖案化單晶薄膜包括：當所述第一圖案化單晶薄膜處於所述模板中時使其預先與所述基板對準。
如申請專利範圍第20項所述之組裝圖案化裝置的方法，其中所述基板之所述表面包括圖案化層，且轉移所述第一圖案化單晶薄膜包括：當所述第一圖案化單晶薄膜處於所述模板中時，使所述第一圖案化單晶薄膜之所述第一圖案預先與所述圖案化層對準。
如申請專利範圍第21項或第22項所述之組裝圖案化裝置的方法，包括重複至少一次以下步驟： i）根據如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述之所選材料之圖案化單晶薄膜的製造方法形成具有相關圖案之額外圖案化單晶薄膜； ii）使所述模板中之所述額外圖案化單晶薄膜的所述相關圖案與經預先轉移之所述圖案化單晶薄膜的所述圖案對準；以及 iii）隨後將所述額外圖案化單晶薄膜轉移至經預先轉移之所述圖案化單晶薄膜上。
如申請專利範圍第23項所述之組裝圖案化裝置的方法，其中所述相關圖案與經預先轉移之所述圖案相同。
如申請專利範圍第23項所述之組裝圖案化裝置的方法，其中所述相關圖案與經預先轉移之所述圖案不同。
如申請專利範圍第23項至申請專利範圍第25項中任一項所述之組裝圖案化裝置的方法，其中經預先轉移之所述圖案化單晶薄膜的所述所選材料與經隨後轉移之所述額外圖案化單晶薄膜的所述所選材料相同。
如申請專利範圍第23項至申請專利範圍第25項中任一項所述之組裝圖案化裝置的方法，其中經預先轉移之所述圖案化單晶薄膜的所述所選材料與經隨後轉移之所述額外圖案化單晶薄膜的所述所選材料不同。
如前述申請專利範圍第21項至第26項中任一項所述之組裝圖案化裝置的方法，其中至少包括經轉移之所述圖案化單晶薄膜或者包括經轉移之所述圖案化單晶薄膜及至少一個經隨後轉移之所述額外圖案化單晶薄膜的所述圖案化裝置為單晶的。
如前述申請專利範圍第20項至第28項中任一項所述之組裝圖案化裝置的方法，更包括將圖案化層印刷於經預先轉移之單晶薄膜的頂部上的步驟。
如前述申請專利範圍第20項至第29項中任一項所述之組裝圖案化裝置的方法，其中所述轉移步驟之後進行加熱步驟。
一種圖案化裝置，包括基板及至少一個具有第一圖案之所選材料的第一圖案化單晶薄膜，其中所述所選材料具有四重對稱性之結晶相，且所述第一圖案化單晶薄膜之＜100＞晶向垂直於所述第一圖案之邊緣。