[發(fā)明專利]一種在石墨或石墨烯表面加工納米尺度圖形的方法

有效

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• 申請日: 2011-06-09
• 公開（公告）號: CN102285631A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙華波;李佩朔;魏芹芹;魏子鈞;張朝暉;傅云義
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 蘇愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米加工技術(shù)，具體是一種利用導(dǎo)電原子力顯微鏡多針尖效應(yīng)在石墨或石墨烯表面制備納米尺度圖形。

背景技術(shù)

2004年英國曼切斯特大學(xué)的Geim等人首次制備出單原子層的石墨烯。石墨烯的遷移率為傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的數(shù)十至上百倍，有望應(yīng)用于高性能的納電子器件中。而研究發(fā)現(xiàn)單原子層的石墨烯的禁帶寬度為零，只有當石墨烯納米帶寬度為20納米以下時，其禁帶才逐漸打開，呈現(xiàn)半導(dǎo)體性。為了制備基于石墨烯的COMS邏輯開關(guān)器件，就需要尋找一種可以將石墨烯加工成20nm以下納米帶的工藝方法。然而，現(xiàn)有的微納結(jié)構(gòu)主要通過光刻技術(shù)來制備，但受限于光的波長，尚無法制備數(shù)納米的結(jié)構(gòu)。即使利用電子束光刻技術(shù)，目前尚很難加工寬度在20nm以下的石墨烯納米帶。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種在石墨或石墨烯表面加工出20納米以下圖形的方法。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種在石墨或石墨烯表面制備納米尺度圖形的方法，其步驟包括：

1)將石墨或石墨烯解離露出新鮮的表面并放置于原子力顯微鏡樣品臺上，石墨或石墨烯一端通過導(dǎo)線接地；

2)利用原子力顯微鏡掃描石墨或石墨烯表面并選取待刻蝕的區(qū)域；

3)將原子力顯微鏡的針尖逼近石墨或石墨烯表面，設(shè)置掃描范圍，進入掃描狀態(tài)，同時在針尖上加負電壓，當針尖處于多針尖狀態(tài)時，刻蝕石墨或石墨烯表面形成溝槽，從而得到所設(shè)計的加工圖形。本發(fā)明利用多針尖效應(yīng)，可以通過一次刻蝕得到兩條或多條間距極窄的刻蝕溝槽。

在針尖上加的負電壓的絕對值大于7V。

刻蝕時針尖移動速度小于20μm/s，在每一處停留時間小于5秒。

可將石墨或石墨烯轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的其它導(dǎo)電基底或絕緣材料上；若石墨或石墨烯在絕緣材料上，則通過電極相連使石墨或石墨烯接地，在針尖上加絕對值大于7V的負電壓后進行刻蝕。

本發(fā)明原理：

導(dǎo)電針尖刻蝕石墨表面時，由于針尖與樣品表面距離且針尖曲率半徑極小，當針尖加上負電壓時，針尖會與樣品之間形成極強的電場。電子由針尖端發(fā)射到達石墨表面，刻蝕機理有3種解釋：1是由于物理轟擊造成石墨晶格破壞；2是產(chǎn)生的熱量會使大氣中的氧與石墨的碳原子發(fā)生發(fā)應(yīng)，生成CO等氣體；3是由于空氣中的水和石墨的碳原子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成CO等氣體。

同時，由于普通導(dǎo)電針尖在掃描過程中如果受到污染或磨損產(chǎn)生，針尖可以處于多針尖狀態(tài)。由于多針尖的間距非常小，甚至小于20納米，這樣在一次刻蝕中同時得到兩條間距極窄的刻蝕溝槽，所形成的圖形可以由控制針尖移動的腳本程序確定，例如控制針尖沿直線刻蝕時，在兩條直溝槽之間可得到20納米尺度以下的石墨納米帶圖形。

本發(fā)明石墨烯可以是單層，雙層，或多層，在其表面制備出納米尺度圖形。

本發(fā)明的優(yōu)點與技術(shù)效果：

目前在石墨或石墨烯表面上加工20納米尺度以下的圖形極其困難，本發(fā)明利用導(dǎo)電原子力顯微鏡多針尖效應(yīng)，可以通過一次刻蝕得到到兩條或多條間距極窄的刻蝕溝槽，形成例如20納米尺度以下的石墨納米帶等圖形。通過原子力顯微鏡的腳本程序的編寫控制控制針尖的刻蝕路徑，得到任意形狀的圖形。刻蝕出的溝槽深度可由導(dǎo)電針尖的電壓以及針尖移動時間控制。

附圖說明

圖1.導(dǎo)電原子力顯微鏡雙針尖在石墨表面刻蝕得到的雙排點陣結(jié)構(gòu)，橫向雙點坑間距僅為10納米左右；

圖2.導(dǎo)電原子力顯微鏡雙針尖在石墨表面刻蝕得到間距為14nm的平行雙溝槽結(jié)構(gòu)；

圖3.導(dǎo)電原子力顯微鏡雙針尖在石墨表面刻蝕得到3圓環(huán)交疊溝槽結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

實施例1

將一塊石墨解離露出新鮮的表面；利用原子力顯微鏡掃描石墨表面并選取待刻蝕的區(qū)域。安裝導(dǎo)電針尖，將針尖逼近樣品，掃描范圍為2×2微米。同時在針尖上加-8V的負電壓，當針尖存在多針尖形態(tài)，控制針尖在石墨表面沿某一方向每隔50納米將針尖逼近樣品，停留3秒。最后得到雙排點陣結(jié)構(gòu)，橫向雙點坑之間的間距僅為10納米左右，如圖1所示。

實施例2

將一多層石墨烯解離露出新鮮的表面；利用原子力顯微鏡掃描石墨表面并選取待刻蝕的區(qū)域；安裝導(dǎo)電針尖，將針尖逼近樣品，掃描范圍為2×2微米。同時在針尖上加-9V的負電壓，當針尖存在多針尖形態(tài)，控制針尖在石墨表面沿直線移動，移動速度為2μm/s，。最后得到間距為14nm的雙溝槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

實施例3