專利名稱：一種圖形化石墨烯的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于石墨烯器件制備技術領域，具體涉及一種精確定位的圖形化石墨烯的制備方法。
背景技術：
石墨烯是由碳原子蜂窩狀排列構成的二維晶體。由于其量子輸運性質、高的電導 率、遷移率、透過率，石墨烯及其相關器件已經(jīng)成為物理、化學、生物以及材料科學領域的一 個研究熱點。迄今為止，人們已經(jīng)制備出多種以石墨烯為基本功能單元的器件，包括場效應 晶體管、太陽能電池、納米發(fā)電機、傳感器等。最近，人們在M或Cu催化薄膜上采用化學氣 相沉積方法成功制備了大面積高質量的石墨烯，推動了石墨烯在器件方面的應用。基于石墨烯的微納電子器件，通常需要精確定位圖形化石墨烯，目前采用的現(xiàn)有 技術有1)先圖形化催化劑，生長得到圖形化的石墨烯再轉移。這種方法不能將圖形化的 石墨烯精確定位到器件襯底上。2)先轉移大面積的石墨烯到器件襯底上，再通過光刻、刻蝕 的方法，最終刻蝕出所需要的圖形化石墨烯。這種方法中的應用到了氧等離子體刻蝕，就不 可避免的會對石墨烯以及器件的其他部分造成輻照損傷。3)利用模板壓印的方法，在需要 石墨烯的地方壓印上石墨烯。這種方法對不同圖形的石墨烯，要求制作不同的模板，且模板 制造工藝復雜，成本太高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的圖形石墨烯的方法，無需刻蝕、壓印，即可精確定 位。本發(fā)明提供的圖形化石墨烯的制備方法，包括如下步驟A)將光刻膠或PMMA旋涂在器件襯底上；B)在需要石墨烯的位置上制出相應的圖形窗口，窗口之外的表面被光刻膠或 PMMA覆蓋；C)將相互黏附的石墨烯和PMMA層轉移到器件襯底上，并使石墨烯與窗口處的襯 底部分緊密接觸，且經(jīng)過適當?shù)臒崽幚恚籇)將上述襯底浸泡在丙酮溶液中，使光刻膠或PMMA，以及光刻膠或PMMA上的石墨 烯和PMMA層剝離，即可在器件襯底上獲得圖形化的石墨烯。步驟C)中，相互黏附的石墨烯和PMMA層的制備步驟包括1)在Ni或Cu催化薄膜上采用化學氣相沉積方法制備石墨烯；2)旋涂一層 PMMA ；3)將帶有PMMA的Ni或Cu催化薄膜浸泡在FeCl3或(NH4) 2S208溶液中，腐蝕掉Ni 或Cu薄膜，使石墨烯和PMMA層漂浮在溶液中，從而得到相互黏附的石墨烯和PMMA層。步驟B)中，通過紫外光刻或電子束光刻、顯影、定影等工藝在器件襯底上開出相 應的圖形窗口。
步驟C)中，石墨烯和PMMA轉移到器件襯底后的熱處理，溫度為60-120°C，時間為 30分鐘。本發(fā)明通過紫外光刻(或電子束光刻)等微加工工藝，在器件襯底上圖形化光刻 膠(或PMMA)，在需要石墨烯的地方開出窗口。通過石墨烯轉移方法，將大面積石墨烯轉移 到圖形化的光刻膠(或PMMA)上，經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗螅ㄟ^丙酮浸泡的方法將光刻膠(或 PMMA)連同其上的石墨烯剝離掉，得到器件所需的圖形化的石墨烯。該方法相比目前現(xiàn)存的 石墨烯圖形化后再轉移的方法具有精確定位的優(yōu)點；相比石墨烯轉移后再圖形化的方法具 有無需刻蝕的優(yōu)點；相比于壓印圖形化石墨烯的方法，具有不需要制作壓印模版，從而成本 較低的優(yōu)點。本發(fā)明所采用的方法，不僅實現(xiàn)了精確定位地圖形化石墨烯，而且很容易實現(xiàn) 大面積器件集成。此外，利用曝光、剝離的方法避免了氧等離子體刻蝕的步驟，氧等離子體 刻蝕會對石墨烯以及器件的其它組成部分會帶來輻照損傷，從而降低器件性能。


圖1為本發(fā)明的流程示意圖；圖2采用本發(fā)明制得的圖形化石墨烯的場發(fā)射掃描電鏡照片，其中(a)為正三角 形(b)為正六邊形(c)為字母B;圖3采用本發(fā)明制得的圖形化石墨烯的拉曼光譜。
具體實施例方式本發(fā)明采用光刻、熱處理、剝離等傳統(tǒng)的微加工工藝，結合石墨烯轉移常規(guī)方法、 在器件襯底所需要的地方制備圖形化的石墨烯。這種免刻蝕的石墨烯圖形化新方法，在以 石墨烯為功能單元的新型器件方面有廣泛的應用前景。主要實驗過程如圖1所示，步驟如 下1、在M或Cu催化薄膜上采用化學氣相沉積方法制備大面積高質量石墨烯。2、在生長有石墨烯的襯底上旋涂一層PMMA，例如2000rpm，2分鐘。3、將帶有PMMA和石墨烯的襯底浸泡在1M的FeCl3溶液中，例如6小時。腐蝕掉 Ni層，使石墨烯和PMMA層漂浮在溶液中。4、將光刻膠(或PMMA)旋涂到目標器件襯底上。5、通過紫外光刻(或電子束光刻)、顯影、定影等工藝在襯底上需要石墨烯的位置 開出相應的圖形窗口。6、將漂浮在FeCl3溶液中的石墨烯/PMMA層轉移到高純水溶液中，漂洗掉殘留的 FeCl3溶液。將腐蝕掉漂浮在高純水中的石墨烯/PMMA層轉移到帶有光刻膠(或PMMA)圖 形的器件襯底上。通過適當?shù)臒崽幚砝?0°C，30分鐘。使石墨烯與不被光刻膠(或 PMMA)覆蓋的(即窗口處)襯底部分緊密接觸。7、將上述襯底浸泡在丙酮中，例如10分鐘，剝離光刻膠(或PMMA)上的石墨烯/ PMMA層。最終得到器件所需的圖形化的石墨烯。圖2是通過本發(fā)明得到的圖形化的石墨烯的場發(fā)射掃描電鏡照片。本實施方案可 分別圖形化得到了正方形、正三角形、正六邊形、微米帶陣列、字母A、字母B、字母C、字母D 等石墨烯圖形。圖中的標尺為20 ym。
圖3是利用本發(fā)明得到的圖形化石墨烯的拉曼光譜。拉曼譜有兩個主峰構成G峰 和2D峰，它們的峰值比(I2D IG)約為2。此外，與石墨烯缺陷相關的D峰較弱。說明圖形 化的石墨烯為高質量單層石墨烯。最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領域 的技術人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修 改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于實施例所公開的內容，本發(fā)明要求保護的范圍以權 利要求書界定的范圍為準。
權利要求
一種圖形化石墨烯的制備方法，包括如下步驟A)將光刻膠或PMMA旋涂在器件襯底上；B)在需要石墨烯的位置上制出相應的圖形窗口，窗口之外的表面被光刻膠或PMMA覆蓋；C)將相互黏附的石墨烯和PMMA層轉移到器件襯底上，并使石墨烯與窗口處的襯底部分緊密接觸，且進行熱處理；D)將上述襯底浸泡在丙酮溶液中，使光刻膠或PMMA，以及光刻膠或PMMA上的石墨烯和PMMA層剝離，即可在器件襯底上獲得圖形化的石墨烯。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟C)中，相互黏附的石墨烯和PMMA層的 制備步驟包括1)在Ni或Cu催化薄膜上制備石墨烯；2)旋涂一層PMMA；3)將帶有PMMA的M或Cu催化薄膜浸泡在腐蝕溶液中，腐蝕掉M或Cu薄膜，使石墨 烯和PMMA層漂浮在溶液中，從而得到相互黏附的石墨烯和PMMA層。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟B)中，通過紫外光刻或電子束光刻、顯 影、定影等工藝在器件襯底上開出相應的圖形窗口。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟C)中，石墨烯和PMMA轉移到器件襯底 后的熱處理，溫度為60-120°C，時間為30分鐘。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟1)中采用化學氣相沉積方法制備 石墨稀。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中腐蝕液為？^13或(顯4)焱08。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圖形化石墨烯的制備方法，該方法通過紫外光刻或電子束光刻等微電子工藝在器件襯底上圖形化光刻膠，在需要石墨烯的地方開出窗口。通過石墨烯轉移方法，將大面積石墨烯轉移到圖形化的光刻膠上，通過丙酮浸泡的方法將光刻膠連同其上的石墨烯剝離掉，得到器件所需的圖形化的石墨烯。該方法相比現(xiàn)有技術，具有精確定位的優(yōu)點，且無需刻蝕，不需要制作壓印模版，從而成本較低。本發(fā)明不僅實現(xiàn)了精確定位地圖形化石墨烯，而且很容易實現(xiàn)大面積器件集成。此外，利用曝光、剝離的方法，避免了氧等離子體刻蝕的步驟，從而避免了輻照損傷帶來的器件性能的降低。
文檔編號G03F7/00GK101872120SQ20101021535
公開日2010年10月27日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權日2010年7月1日
發(fā)明者代宇, 葉堉, 戴倫, 秦國剛 申請人:北京大學