專利名稱：微流通道及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納流器件與工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及微流通道及其制備方法。
背景技術(shù)：
微納流器件中各種新穎的特性源于納米空間中的尺度效應(yīng)。納米通道限域空間中的水分子納米結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)微納流器件的新奇特性至關(guān)重要。眾所周知，常用碳納米管作為納米管道，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微流通道不但可以形成類似半導(dǎo)體場效應(yīng)管、PN結(jié)，應(yīng)用于微流控集成電路中，還可以廣泛用于納米流體電池，分子級的化學(xué)分析、分離，傳感器及純水凈化當(dāng)中。但是目前最小的碳納米管直徑大約2nm，限域空間的新奇特性未能完全體現(xiàn)出，制備直徑更小的納米管道，形成準(zhǔn)一維水分子以及利用外場控制納米管道內(nèi)準(zhǔn)一維水分子的傳輸行為仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。此外，碳管端口開口工藝復(fù)雜，形成尺寸均一的兩端開口的管道陣列相當(dāng)有難度，制備過程復(fù)雜，成本高，大規(guī)模的集成這些由碳納米管或者其他納米管道的微納流器件還存在很多問題。由于納米碳管的機(jī)械性質(zhì)，較難實現(xiàn)直接利用原子顯微鏡探針測得納米碳管內(nèi)部水分子的微觀結(jié)構(gòu)。同時無論表面還是納米管內(nèi)水分子的結(jié)構(gòu)及相關(guān)傳輸行為均很難直接觀測。由于熱擾動作用和毛細(xì)吸附作用，表面水分子結(jié)構(gòu)只能采用超高真空掃描隧道顯微鏡來研究，并不適合研究室溫下的水分子納米結(jié)構(gòu)，納米管道中的水分子結(jié)構(gòu)就更加無法利用普通的形貌測試手段來獲得。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供簡易方法獲得尺寸可調(diào)的納米通道結(jié)構(gòu)。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種微流通道，包括一具有原子臺階的支撐面， 以及覆蓋于所述支撐面的石墨烯覆蓋層；所述微流通道由支撐面表面的原子臺階和石墨烯覆蓋層所圍攏的空間構(gòu)成。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種上述結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟提供一支撐襯底， 所述支撐襯底由晶體材料構(gòu)成；對支撐襯底實施退火，在其表面形成具有原子臺階的支撐面；在支撐面表面形成石墨烯覆蓋層，從而獲得由支撐面表面的原子臺階和石墨烯層所圍攏的空間構(gòu)成的微流通道。作為可選的技術(shù)方案，所述在支撐面表面形成石墨烯覆蓋層進(jìn)一步包括如下步驟提供一生長襯底；采用化學(xué)氣相沉積的方法在生長襯底上制備石墨烯薄膜層；將生長襯底置于生長襯底的腐蝕液中，使石墨烯薄膜層從生長襯底上剝離并漂浮在液面上；用支撐襯底的具有原子臺階的支撐面將石墨烯薄膜從溶液中撈起，石墨烯材料的表面張力使得石墨烯薄膜層鋪展并吸附在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上。作為可選的技術(shù)方案，所述在支撐面表面形成石墨烯覆蓋層進(jìn)一步包括如下步驟將石墨薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，得到石墨烯薄膜層；將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到支撐襯底的具有原子臺階的支撐面，從而在支撐面上覆蓋石墨烯層。作為可選的技術(shù)方案，所述在支撐面表面形成石墨烯覆蓋層進(jìn)一步包括如下步驟提供一生長襯底；選用化學(xué)氣相沉積的方法在生長襯底上制備石墨烯薄膜層；在石墨烯薄膜層上涂敷粘附層，形成粘附層與石墨烯的復(fù)合薄膜層；將生長襯底置于能夠腐蝕生長襯底的化學(xué)腐蝕液中，使石墨烯薄膜與粘附層從生長襯底上剝離并漂浮在液面上；將石墨烯薄膜與粘附層的復(fù)合薄膜層壓印在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上；將粘附層去除，從而在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上形成石墨烯層。石墨烯是由碳原子組成的極薄層狀材料，最薄可到單原子層，可利用化學(xué)氣相沉積，機(jī)械解理等特定條件制得，是一種零帶隙、半金屬的二維材料。具有原子臺階的半導(dǎo)體材料可以通過退火控制原子臺階個數(shù)，表面覆蓋石墨烯可以與半導(dǎo)體表面的原子臺階形成可調(diào)控的納米通道，并且可保證納米通道軸向的原子光滑度。此外，由于石墨烯是較柔軟的材料，通道中充滿一維水分子之后，不但對水分子結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)定作用，還使得直接利用原子力顯微鏡觀測納米通道中水分子結(jié)構(gòu)和傳輸特性變成可能。利用表面具有原子臺階或者納米級凹槽的半導(dǎo)體，與覆蓋其上的石墨烯片層之間存在納米級縫隙，這個縫隙就是我們可以利用的納米級管道。形成此納米尺寸管道的原子臺階可以通過控制斜切角，退火形成。本發(fā)明的優(yōu)點在于，通過在具有原子臺階的晶體表面覆蓋石墨烯片層來獲得和晶體表面原子臺階之間構(gòu)成的納米孔道，不同的晶體表面臺階可以通過不同方式獲得，比如可以通過控制斜切角，退火時間、溫度來改變表面原子臺階層數(shù)來控制納米孔道的有效直徑。


附圖IA至附圖ID是本發(fā)明實施例的工藝示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種基于石墨烯與原子臺階的納米通道結(jié)構(gòu)及其制備方法的具體實施方式
做詳細(xì)說明。首先提供本發(fā)明所述方法的第一具體實施方式
，包括如下步驟步驟S10，提供一支撐襯底，所述支撐襯底由晶體材料構(gòu)成；步驟S11，對支撐襯底實施表面腐蝕或者退火， 在其表面形成具有原子臺階的支撐面；步驟S12，提供一生長襯底；步驟S13，采用化學(xué)氣相沉積的方法在生長襯底上制備石墨烯薄膜層；步驟S14，將生長襯底置于生長襯底的腐蝕液中，使石墨烯薄膜層從生長襯底上剝離并漂浮在液面上；步驟S15，用支撐襯底的具有原子臺階的支撐面將石墨烯薄膜從溶液中撈起，石墨烯材料的表面張力使得石墨烯薄膜層鋪展并吸附在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上。步驟SlO中，所述支撐襯底的材料可以但不限于是III-V族化合物半導(dǎo)體、II-VI 族化合物半導(dǎo)體、IV族化合物半導(dǎo)體以及單質(zhì)半導(dǎo)體中的一種。任何一種晶體材料都可以通過腐蝕或者退火在表面形成原子臺階。步驟Sll中，退火的溫度和時間由支撐襯底的材料決定。例如SiC表面原子臺階， 通過斜切角可以初步控制表面臺階的寬度。根據(jù)需要，先選擇一定的斜切角，之后還需將具有斜切角度的SiC進(jìn)行退火。臺階會隨著退火溫度的升高而變高和變寬。相同退火溫度下， 越長的退火時間，導(dǎo)致最初規(guī)則平行的臺階變得彎曲不均勻，臺階變的不規(guī)則，不利于后期與石墨烯薄膜形成平直的納米孔道。步驟S12中，生長襯底的材料的要求非常寬泛，很多常見的襯底材料，例如單晶硅、藍(lán)寶石、玻璃甚至于金屬襯底都可以滿足要求。步驟S13中，關(guān)于化學(xué)氣相沉積法的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述。所述石墨烯薄膜也可以采用濕化學(xué)法生長。步驟S14中，腐蝕液會首先腐蝕石墨烯層和生長襯底的邊緣接觸部分，邊緣的石墨烯層受到腐蝕后受到液體的浮力作用而與生長襯底分離，促使腐蝕液進(jìn)一步向中心部分腐蝕，最終將兩者分離。步驟S15中，石墨烯薄膜層會漂浮在液面上，將支撐襯底的具有原子臺階的支撐面從溶液中由下而上的撈起，自然會將石墨烯薄膜層鋪展并吸附在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上。上述步驟實施完畢所獲得結(jié)構(gòu)包括一具有原子臺階的支撐面，以及覆蓋于所述支撐面的石墨烯覆蓋層，而原子臺階和石墨烯覆蓋層圍攏成一通道，所述微流通道即是由支撐面表面的原子臺階和石墨烯覆蓋層所圍攏的空間構(gòu)成。接下來提供本發(fā)明所述方法的第二具體實施方式
，包括如下步驟步驟S20，提供一支撐襯底，所述支撐襯底由晶體材料構(gòu)成；步驟S21，對支撐襯底實施退火，在其表面形成具有原子臺階的支撐面；步驟S22，提供一石墨片；步驟S23，將石墨片的兩面貼敷膠膜； 步驟S24，撕開膠膜從而將石墨片一分為二 ；步驟S25，重復(fù)上述操作，使石墨薄片越來越薄，最終獲得石墨烯薄膜層；步驟S26，用將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到支撐襯底的具有原子臺階的支撐面，從而在支撐面上覆蓋石墨烯層。步驟S20與步驟S21與前一具體實施方式
相同，不再贅述。步驟S22中，所述石墨片的分子結(jié)構(gòu)是由呈六角形排列的單層原子層重疊構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，可以作為采用物理法分離石墨烯的原料。步驟S23中，所述膠膜的材料是以聚乙烯為膠膜的基材，另一面復(fù)合有膠粘劑，即普通所見的透明膠帶。步驟S24中，由于膠膜和石墨片之間的結(jié)合力大于石墨片層狀結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力，故可以將石墨片一分為二。步驟S25中，重復(fù)操作，石墨片越來越薄，當(dāng)膠膜表面的呈六角形排列的單層原子層的層數(shù)在數(shù)百層甚至更小時，即在膠膜表面通過物理分割的方法獲得了石墨烯材料。步驟S26中，由于半導(dǎo)體表面具有電荷的緣故會呈現(xiàn)親水性，容易吸附水及水合碳。當(dāng)達(dá)到步驟25中所述情形時，膠膜表面粘附了數(shù)百層甚至更少層數(shù)時候，遠(yuǎn)離膠膜表面一側(cè)的石墨烯受到半導(dǎo)體表面的親水相互作用，這種親水相互作用導(dǎo)致的石墨烯與半導(dǎo)體表面結(jié)合力大于膠膜上石墨片層結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力，故可以將膠膜表面吸附的石墨烯轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體的表面。
具體實施方式
已屬于公知技術(shù)，非常成熟。接下來提供本發(fā)明所述方法的第三具體實施方式
，包括如下步驟步驟S30，提供一支撐襯底，所述支撐襯底由晶體材料構(gòu)成；步驟S31，對支撐襯底實施退火，在其表面形成具有原子臺階的支撐面；步驟S32，提供一生長襯底；步驟S33，選用化學(xué)氣相沉積的方法
5在生長襯底上制備石墨烯薄膜層；步驟S34，在石墨烯薄膜層上涂敷粘附層，形成粘附層與石墨烯的復(fù)合薄膜層；步驟S35，將生長襯底置于能夠腐蝕生長襯底的化學(xué)腐蝕液中，使石墨烯薄膜與粘附層從生長襯底上剝離并漂浮在液面上；步驟S36，將石墨烯薄膜與粘附層的復(fù)合薄膜層壓印在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上；步驟S37，將粘附層去除，從而在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上形成石墨烯層。步驟S30至步驟S33與第一具體實施方式
相同，不再贅述。步驟S34中，粘附層的材料可以是二甲基硅氧烷(PDMS)。步驟S35中，腐蝕原理請參考第一具體實施方式
中的步驟S14。步驟S36中，由于粘附層具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，起到了支撐作用，因此可以采用壓印的方法。步驟S37中，除去粘附層可以采用溶解或者選擇性腐蝕的方法，例如用酒精或丙酮等有機(jī)溶劑將PDMS材料溶解。以下以SiC晶體作為支撐襯底為例給出一實施例。步驟一，參考附圖1A，石墨烯制備選用化學(xué)氣相沉積的方法在生長襯底100的表面制備石墨烯薄膜110，關(guān)于化學(xué)氣相沉積法的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述。本步驟需要為化學(xué)氣相襯底工藝提供單獨的生長襯底100?；瘜W(xué)氣相沉積法的工藝能夠在生長襯底100表面形成石墨烯薄膜，且此工藝對生長襯底100材料的要求非常寬泛， 很多常見的襯底材料，例如單晶硅、藍(lán)寶石、玻璃甚至于金屬襯底都可以滿足要求。所述石墨烯薄膜110也可以采用濕化學(xué)法生長。步驟二，參考附圖1B，在石墨烯薄膜110上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)層130，由于PDMS有一定的粘性，可以粘附石墨烯薄膜層，并利用化學(xué)方法腐蝕石墨烯襯底，從而將石墨烯薄膜層從生長襯底上剝離。例如將生長襯底100置于能夠腐蝕生長襯底的化學(xué)腐蝕液中，使石墨烯薄膜110與二甲基硅氧烷(PDMS)層130從生長襯底100上剝離并漂浮在液面上。步驟三，SiC晶體斜切，退火，形成原子臺階。此處還可以通過電子束曝光、聚焦離子束獲得納米級凹槽。步驟四，SiC晶體的清洗用丙酮、酒精等有機(jī)溶劑清洗表面。步驟五，參考附圖1C，將石墨烯薄膜110與PDMS層130構(gòu)成的復(fù)合薄膜層壓印在 SiC晶體120表面。步驟六，參考附圖1D，用酒精或丙酮等有機(jī)溶劑將PDMS層130溶解，從而實現(xiàn)了石墨烯薄膜110到具有原子臺階的SiC晶體120上的轉(zhuǎn)移。以下以SiC晶體作為支撐襯底為例給出另一實施例。步驟一，參考附圖1A，石墨烯制備選用化學(xué)氣相沉積的方法在生長襯底100的表面制備石墨烯薄膜110，關(guān)于化學(xué)氣相沉積法的具體實施方式
屬于公知技術(shù)，此處不再詳細(xì)敘述。本步驟需要為化學(xué)氣相襯底工藝提供單獨的生長襯底100?；瘜W(xué)氣相沉積法的工藝能夠在生長襯底100表面形成石墨烯薄膜，且此工藝對生長襯底100材料的要求非常寬泛， 很多常見的襯底材料，例如單晶硅、藍(lán)寶石、玻璃甚至于金屬襯底都可以滿足要求。所述石墨烯薄膜110也可以采用濕化學(xué)法生長。步驟二，直接將帶有石墨烯薄膜的生長襯底置于能夠腐蝕生長襯底的化學(xué)腐蝕液中，使石墨烯薄膜從生長襯底上剝離并漂浮在液面上。步驟三，清洗表面具有原子臺階的SiC晶體的表面。步驟四，用SiC晶體將石墨烯薄膜從溶液中撈起，石墨烯材料的表面張力使得石墨烯薄膜鋪展并吸附在SiC晶體的表面，從而在SiC晶體表面形成石墨烯薄膜。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微流通道，其特征在于包括一具有原子臺階的支撐面，以及覆蓋于所述支撐面的石墨烯覆蓋層；所述微流通道由支撐面表面的原子臺階和石墨烯覆蓋層所圍攏的空間構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流通道，其特征在于，所述支撐面的材料選自于III-V族化合物半導(dǎo)體、II-VI族化合物半導(dǎo)體、IV族化合物半導(dǎo)體以及單質(zhì)半導(dǎo)體中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流通道，其特征在于，所述石墨烯選自于單原子層石墨烯和多原子層石墨烯中的一種。
4.一種權(quán)利要求1所述結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟提供一支撐襯底，所述支撐襯底由晶體材料構(gòu)成；對支撐襯底實施退火，在其表面形成具有原子臺階的支撐面；在支撐面表面形成石墨烯覆蓋層，從而獲得由支撐面表面的原子臺階和石墨烯層所圍攏的空間構(gòu)成的微流通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述在支撐面表面形成石墨烯覆蓋層進(jìn)一步包括如下步驟提供一生長襯底；采用化學(xué)氣相沉積的方法在生長襯底上制備石墨烯薄膜層；將生長襯底置于生長襯底的腐蝕液中，使石墨烯薄膜層從生長襯底上剝離并漂浮在液面上；用支撐襯底的具有原子臺階的支撐面將石墨烯薄膜從溶液中撈起，石墨烯材料的表面張力使得石墨烯薄膜層鋪展并吸附在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述在支撐面表面形成石墨烯覆蓋層進(jìn)一步包括如下步驟提供一石墨片；將石墨片的兩面貼敷膠膜；撕開膠膜從而將石墨片一分為二 ；重復(fù)上述操作，使石墨薄片越來越薄，最終獲得石墨烯薄膜層；將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到支撐襯底的具有原子臺階的支撐面，從而在支撐面上覆蓋石墨烯層。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述在支撐面表面形成石墨烯覆蓋層進(jìn)一步包括如下步驟提供一生長襯底；選用化學(xué)氣相沉積的方法在生長襯底上制備石墨烯薄膜層；在石墨烯薄膜層上涂敷粘附層，形成粘附層與石墨烯的復(fù)合薄膜層；將生長襯底置于能夠腐蝕生長襯底的化學(xué)腐蝕液中，使石墨烯薄膜與粘附層從生長襯底上剝離并漂浮在液面上；將石墨烯薄膜與粘附層的復(fù)合薄膜層壓印在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上；將粘附層去除，從而在支撐襯底的具有原子臺階的支撐面上形成石墨烯層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微流通道，包括一具有原子臺階的支撐面，以及覆蓋于所述支撐面的石墨烯覆蓋層；所述微流通道由支撐面表面的原子臺階和石墨烯覆蓋層所圍攏的空間構(gòu)成。本發(fā)明的優(yōu)點在于，通過在具有原子臺階的晶體表面覆蓋石墨烯片層來獲得和晶體表面原子臺階之間構(gòu)成的納米孔道，并且可以通過控制退火時間和溫度來改變表面原子臺階層數(shù)來控制納米孔道的有效直徑。
文檔編號B01L3/00GK102423722SQ20111024844
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者劉爭暉, 弓曉晶, 徐科, 徐耿釗, 楊輝, 鐘海艦 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所