石墨烯納米電子器件及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種石墨烯納米電子器件及其制備方法，包括：S1、提供上表面為絕緣介質(zhì)材料的襯底；S2、在上表面上形成連續(xù)且基本上覆蓋襯底的整個上表面的石墨烯層；S3、在石墨烯層上形成各個金屬電極；S4、在石墨烯層上覆蓋抗蝕劑層，采用電子束對抗蝕劑層進行曝光，以使得抗蝕劑層成型為預(yù)定的掩模的形狀；掩模的圖案成型為僅用于在各個石墨烯區(qū)在石墨烯層中的預(yù)定位置處形成各個石墨烯區(qū)的納米結(jié)構(gòu)；步驟S5、對帶有掩模的襯底進行反應(yīng)離子刻蝕，以形成納米結(jié)構(gòu)；S6、去除石墨烯區(qū)周圍的一部分石墨烯層，以將石墨烯層中的石墨烯區(qū)與石墨烯區(qū)外的其余石墨烯層斷開。該方法可以大規(guī)模制備高精度和一致性的石墨烯納米結(jié)構(gòu)電子器件。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及微納加工
，尤其是涉及一種。
技術(shù)介紹
石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的準(zhǔn)二維納米材料，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機械性能。因此，目前對石墨烯的材料性質(zhì)、制備方法及器件加工技術(shù)等方面的研宄已經(jīng)成為熱點。石墨烯的制備方法包括多種，如機械剝離法、碳化硅熱解法、電弧放電法及CVD合成法等。在電子器件制備領(lǐng)域，摻雜對改善和提高石墨烯的電學(xué)磁學(xué)性能有很大幫助。對于二維結(jié)構(gòu)的石墨烯，化學(xué)摻雜存在摻雜困難，穩(wěn)定性差等缺點。物理結(jié)構(gòu)摻雜如人工制備納米條帶或納米多孔反點陣結(jié)構(gòu)也能轉(zhuǎn)變石墨烯的性質(zhì)，使其由半金屬性轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)體。此外通過控制納米結(jié)構(gòu)的尺寸還可以進一步調(diào)控石墨烯的電學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)性能。制備納米孔石墨稀的方法有許多，在文獻(A general and scalable synthesisapproach to porous graphene, Nature Communicat1ns, 5, 4716 (2014))中公開了一種利用濺射金屬氧化物顆粒氧化石墨烯的方法來制備多孔石墨烯。文獻(Large-Scale Product1n of Nanographene Sheets with a ControlledMesoporous Architecture as High-Performance Electrochemical ElectrodeMaterials Chem Sus Chem 6, 1084(2013))中公開了一種利用金屬鎂在二氧化碳中燃燒淬火直接制備多孔石墨烯的方法。也有文獻報道先通過金屬催化劑化學(xué)氣相沉積石墨烯，然后采用化學(xué)腐蝕將其轉(zhuǎn)移到介質(zhì)襯底上再通過光刻加工的方法得到多孔石墨烯。上述的方法雖然能夠獲得多孔石墨烯結(jié)構(gòu)，并在一些領(lǐng)域獲得良好的應(yīng)用前景，但是上述方法中有的在制備石墨烯結(jié)構(gòu)過程中存在著納米尺寸不可控的問題，有的方法所獲得的石墨烯存在多層疊加或者金屬離子污染等各種問題，不能滿足納米電子器件加工的需要。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的旨在提供一種，可以大規(guī)模地制備高精度和一致性好的石墨烯納米電子器件。為了解決上述問題，根據(jù)本專利技術(shù)的一個方面，提供了一種石墨烯納米電子器件的制備方法，用于在一襯底上形成至少一個石墨烯納米電子器件，每一石墨烯納米電子器件包括帶有納米結(jié)構(gòu)的石墨烯區(qū)以及與石墨烯區(qū)連接的金屬電極，該制備方法包括:步驟S1、提供一襯底，襯底的上表面由絕緣介質(zhì)材料形成。步驟S2、在襯底的上表面上形成連續(xù)的石墨烯層，并且石墨烯層基本上覆蓋襯底的整個上表面。步驟S3、在石墨烯層上形成各個金屬電極。步驟S4、在石墨烯層上覆蓋抗蝕劑層，采用電子束曝光的方式對抗蝕劑層進行曝光，以使得抗蝕劑層成形為預(yù)定的掩模的形狀。其中，掩模的圖案成形為僅用于在各個石墨烯區(qū)在石墨烯層中的預(yù)定位置處形成各個石墨烯區(qū)的納米結(jié)構(gòu)。步驟S5、對帶有掩模的襯底進行反應(yīng)離子刻蝕，以在石墨烯區(qū)中形成納米結(jié)構(gòu)。步驟S6、在形成納米結(jié)構(gòu)之后，去除石墨烯區(qū)周圍的一部分石墨烯層，以將石墨烯層中的石墨烯區(qū)與石墨烯區(qū)外的其余石墨烯層斷開。進一步地，步驟S3還包括:在石墨烯層上形成用于在電子束曝光時將曝光版圖與襯底進行對準(zhǔn)的對準(zhǔn)標(biāo)記，該對準(zhǔn)標(biāo)記包括:用于將曝光版圖與襯底進行整體對準(zhǔn)的全局對準(zhǔn)標(biāo)記以及在每一石墨稀區(qū)在石墨稀層中的預(yù)定位置周圍形成的局部對準(zhǔn)標(biāo)記。進一步地，對準(zhǔn)標(biāo)記為在石墨稀層上形成的金屬標(biāo)記，其與金屬電極同時形成。進一步地，采用光刻和平板印刷工藝形成對準(zhǔn)標(biāo)記和金屬電極；優(yōu)選地，光刻為紫外光刻。進一步地，在步驟S2中，采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積工藝在襯底的上表面上沉積石墨烯層。進一步地，在步驟S6中，采用光刻和等離子體刻蝕工藝進行去除操作；優(yōu)選地，光刻為紫外光刻。進一步地，納米結(jié)構(gòu)為石墨稀納米帶結(jié)構(gòu)或石墨稀納米反點陣結(jié)構(gòu)。進一步地，至少一個石墨烯納米電子器件為在襯底上呈周期性陣列布置的多個石墨稀納米電子器件。進一步地，在步驟S2中，在襯底上形成連續(xù)的石墨稀層之前，還包括對襯底進行拋光和清洗的步驟；可選地，經(jīng)拋光后的襯底的表面粗糙度Ra < 3nm。根據(jù)本專利技術(shù)的另一方面，還提供了一種石墨烯納米電子器件，該石墨烯納米電子器件采用上述任一種方法制備而成。應(yīng)用本專利技術(shù)的技術(shù)方案，通過在絕緣介質(zhì)襯底上直接沉積石墨烯層，然后通過電子束光刻和等離子刻蝕裁減的方法，大規(guī)模地制備出了精度高且一致性好的石墨烯納米結(jié)構(gòu)電子器件。與現(xiàn)有的制備方法相比，本專利技術(shù)具有以下有益效果:I)本專利技術(shù)可以直接在襯底上加工石墨烯，對襯底的選擇性要求低，適用范圍廣。并且還可以根據(jù)所制作的石墨烯電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域不同選擇不同的襯底，如可以采用絕緣介質(zhì)襯底，也可以采用導(dǎo)電的襯底。2)現(xiàn)有技術(shù)中先通過金屬催化劑化學(xué)氣相沉積石墨烯，然后再通過化學(xué)腐蝕將石墨烯層轉(zhuǎn)移到介質(zhì)襯底上進行光刻加工。在金屬表面沉積石墨烯層，由于金屬活性高，可以得到大面積連續(xù)石墨烯，雖然具有晶粒尺寸大，迀移率高，單層比例高等優(yōu)點，但是由于后續(xù)還需要對石墨烯層進行轉(zhuǎn)移后再加工，在化學(xué)腐蝕轉(zhuǎn)移的過程中會對石墨烯層造成污染。而本申請則將石墨烯直接沉積到襯底上進行加工，無需對石墨烯層進行轉(zhuǎn)移，避免了化學(xué)腐蝕轉(zhuǎn)移過程中對金屬離子的污染。3)本專利技術(shù)采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積的方式形成石墨烯層，能夠得到連續(xù)單層納米多晶石墨烯膜，間或少量雙層石墨烯，避免了出現(xiàn)多層石墨烯疊加的問題。并且由于石墨烯層全部覆蓋絕緣介質(zhì)襯底，可以在電子束套刻過程中直接充當(dāng)導(dǎo)電層，無需再額外沉積導(dǎo)電層，簡化了工藝步驟。4)由于采用電子束直寫曝光和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，使得石墨烯納米結(jié)構(gòu)在制備過程中完全可控；由于電子束曝光結(jié)合紫外光刻平版印刷技術(shù)，使得電子器件的加工精度高，可有效通過尺寸進行量子調(diào)控。5)該方法適合于多種二維材料納米量子結(jié)構(gòu)的加工，具有廣泛適用性；并且工藝簡單、加工速度快、穩(wěn)定性和一致性好，并且能夠與半導(dǎo)體工藝兼容，也可以自成工藝體系，適合大規(guī)模生產(chǎn)。本專利技術(shù)制備的石墨烯納米電子器件可應(yīng)用于肖特基二極管、場效應(yīng)晶體管和霍爾效應(yīng)晶體管等多種碳基電子器件領(lǐng)域。根據(jù)下文結(jié)合附圖對本專利技術(shù)具體實施例的詳細描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會更加明了本專利技術(shù)的上述以及其他目的、優(yōu)點和特征。【附圖說明】后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本專利技術(shù)的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:圖1為根據(jù)本專利技術(shù)一種實施例中全局對準(zhǔn)標(biāo)記PQRS、局部對準(zhǔn)標(biāo)記Ml、M2、M3和M4以及待套刻的納米結(jié)構(gòu)在襯底上的位置分布結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本專利技術(shù)一種實施例中局部對準(zhǔn)標(biāo)記Ml、M2、M3和M4以及待套刻的納米結(jié)構(gòu)在襯底上的位置分布結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為根據(jù)本專利技術(shù)一種實施例中石墨烯納米電子器件的部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為根據(jù)本專利技術(shù)一種實施例中制備的具有納米結(jié)構(gòu)的石墨烯芯片的掃描電子顯微鏡照片；圖5為根據(jù)本專利技術(shù)一種實施例中石墨烯多孔反點陣的掃描電子顯微鏡照片；以及圖6為根據(jù)本專利技術(shù)一種實施例中制備的具有超細間隙的石墨烯納米結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片。【具體實施方式】為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的石墨烯納米結(jié)構(gòu)電子器件過程中存在的工藝復(fù)雜、多層石墨烯層疊加以及制備過程中納米尺寸本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種石墨烯納米電子器件的制備方法，用于在一襯底(10)上形成至少一個石墨烯納米電子器件，每一所述石墨烯納米電子器件包括帶有納米結(jié)構(gòu)(20)的石墨烯區(qū)(30)以及與所述石墨烯區(qū)(30)連接的金屬電極(40)，所述制備方法包括：步驟S1、提供一襯底(10)，所述襯底(10)的上表面(11)由絕緣介質(zhì)材料形成；步驟S2、在所述襯底(10)的所述上表面(11)上形成連續(xù)的石墨烯層(50)，并且所述石墨烯層(50)基本上覆蓋所述襯底(10)的整個所述上表面(11)；步驟S3、在所述石墨烯層(50)上形成各個所述金屬電極(40)；步驟S4、在所述石墨烯層(50)上覆蓋抗蝕劑層，采用電子束曝光的方式對所述抗蝕劑層進行曝光，以使得所述抗蝕劑層成形為預(yù)定的掩模的形狀；其中，所述掩模的圖案成形為僅用于在各個所述石墨烯區(qū)(30)在所述石墨烯層(50)中的預(yù)定位置處形成各個所述石墨烯區(qū)(30)的所述納米結(jié)構(gòu)(20)；步驟S5、對帶有所述掩模的所述襯底(10)進行反應(yīng)離子刻蝕，以在所述石墨烯區(qū)(30)中形成所述納米結(jié)構(gòu)(20)；步驟S6、在形成所述納米結(jié)構(gòu)(20)之后，去除所述石墨烯區(qū)(30)周圍的一部分所述石墨烯層(50)，以將所述石墨烯層(50)中的所述石墨烯區(qū)(30)與所述石墨烯區(qū)(30)外的其余石墨烯層(51)斷開。...

【技術(shù)特征摘要】
...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：唐成春，顧長志，楊海方，李俊杰，金愛子，姜倩晴，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11