[發(fā)明專利]一種制備基于垂直二維材料的納米機(jī)電系統(tǒng)的工藝方法有效
| 申請(qǐng)?zhí)枺?/td> | 201410262404.8 | 申請(qǐng)日： | 2014-06-13 |
| 公開(kāi)（公告）號(hào)： | CN104030235A | 公開(kāi)（公告）日： | 2014-09-10 |
| 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人： | 孫捷;鄧世桂;郭偉玲;黃旸 | 申請(qǐng)（專利權(quán)）人： | 北京工業(yè)大學(xué) |
| 主分類號(hào)： | B81C1/00 | 分類號(hào)： | B81C1/00;B82Y40/00 |
| 代理公司： | 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203 | 代理人： | 劉萍 |
| 地址： | 100124 *** | 國(guó)省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 制備 基于 垂直 二維 材料 納米 機(jī)電 系統(tǒng) 工藝 方法 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種制備基于垂直二維材料的納米機(jī)電系統(tǒng)的工藝方法，屬于納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)的制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)
在過(guò)去幾十年里，隨著集成電路的集成度和性能的不斷提高，器件的尺寸也越來(lái)越小，這催生了納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)技術(shù)的發(fā)展。NEMS在納米范圍內(nèi)集成了電力和機(jī)械的性能，是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的下一步合理微型化。現(xiàn)在的一些二維材料(1-3個(gè)原子層)，列如石墨烯(導(dǎo)體)，h-BN(絕緣體)和MoS2(半導(dǎo)體)擁有優(yōu)越的機(jī)電性能和原子級(jí)厚度，在NEMS制備領(lǐng)域受到越來(lái)越高的重視。以石墨烯為例，它的橫向硬度達(dá)到340N/m，斷裂強(qiáng)度為42N/m，是所有材料里最高的；它的斷裂發(fā)生在斷裂應(yīng)變?yōu)?5％的非線性彈性區(qū)域，這些數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了目前用在NEMS中的任何其他材料；并且它還具有超高的載流子遷移率、熱性能、導(dǎo)電性和光學(xué)透明度。這些對(duì)納機(jī)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，因此這些二維材料將成為制備NEMS器件的理想材料。例如有報(bào)道用懸浮的石墨烯薄膜制備出了兩端固支梁結(jié)構(gòu)的NEMS諧振器(Nano?Letters10(2010)4869)，也有報(bào)道用懸浮的石墨烯薄膜制備出壓力傳感器的(Solid-State?Electronics88(2013)89)。但目前所有制備的二維材料NEMS器件都是水平的，就像被兩個(gè)橋墩支撐起來(lái)的橋一樣。另一方面，未來(lái)NEMS器件必然要沿著3D的道路發(fā)展，這就要求能可控地制備出垂直方向的二維材料?；诖怪钡亩S材料可以制備出很多NEMS器件，比如可變電容器，它的電容隨電壓變化而變化，并且擁有可忽略的漏電流、小的體積等優(yōu)點(diǎn)；還有多柵傳感器、提供微生物生長(zhǎng)的微生物環(huán)境和微生物燃料電池等十分廣泛的應(yīng)用。目前，有報(bào)道用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法制備垂直石墨烯薄膜材料(Electrochemistry?Communications25(2012)140)，但該法制備時(shí)由于不能使用催化劑而導(dǎo)致生長(zhǎng)的石墨烯質(zhì)量從根本上受到抑制，更重要的是，生長(zhǎng)的垂直石墨烯薄膜是雜亂無(wú)序的，垂直薄膜的形狀、厚度等參數(shù)不能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而可控地改變，即可控性差，這直接影響了它的實(shí)用性。
為解決當(dāng)前生長(zhǎng)垂直二維材料時(shí)的不可控性的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種新的基于CVD的制備方法，垂直二維材料的形狀、厚度和高度都實(shí)現(xiàn)了可控性生長(zhǎng)，能根據(jù)需要制備出不同的基于垂直二維材料的NEMS器件。
本發(fā)明的目的在于，通過(guò)一種可控地制備基于垂直二維材料的納米機(jī)電系統(tǒng)的工藝方法，填補(bǔ)目前NEMS制造領(lǐng)域只存在單一的制備水平二維材料的空缺，突破技術(shù)瓶頸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制備出3D?NEMS器件。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：
一種制備基于垂直二維材料的納米機(jī)電系統(tǒng)的工藝方法，其特征在于，包括以下步驟：
1.1.在絕緣襯底上生長(zhǎng)一層支撐體，然后用光刻的方法對(duì)其進(jìn)行圖案化處理，在絕緣襯底上生長(zhǎng)一層金屬催化劑層，用光刻的方法對(duì)其進(jìn)行圖案化處理，最后形成支撐體-金屬催化劑-支撐體陣列結(jié)構(gòu)，支撐體和金屬催化劑層的厚度為20nm-2μm；
1.2.在步驟1.1所述的支撐體和金屬催化劑層的上表面和側(cè)面用CVD法同時(shí)生長(zhǎng)二維材料；
1.3.在步驟1.2所述的二維材料的上表面和側(cè)面旋涂一層聚合物，掩蓋支撐體、金屬催化劑層和二維材料；
1.4.刻蝕聚合物，使其變薄，直至刻蝕到支撐體和金屬催化劑層的上表面出現(xiàn)，并將暴露出的附著在上表面的二維材料也刻蝕掉；
1.5.將金屬催化劑在溶液中腐蝕掉，此溶液對(duì)器件的其他部分沒(méi)有腐蝕作用；
1.6.把剩余的聚合物溶解掉，并將最后的樣品干燥。
進(jìn)一步，所述的步驟1.1的襯底是帶有二氧化硅層的硅襯底。
進(jìn)一步，所述的步驟1.1中的支撐體-金屬催化劑-支撐體陣列結(jié)構(gòu)采用石墨-銅-石墨或者金-銅-金。
進(jìn)一步，所述的步驟1.1中的支撐體為金、Pt或石墨。
進(jìn)一步，所述的步驟1.1中的金屬催化劑層為Cu、Ni、Co或Fe。
進(jìn)一步，所述的步驟1.2中的二維材料為石墨烯、h-BN或MoS2。
進(jìn)一步，所述的步驟1.2中的CVD方法可選用常壓CVD、低壓CVD或等離子體增強(qiáng)CVD。
與現(xiàn)有的制備垂直二維材料NEMS器件的技術(shù)相比，本發(fā)明擁有如下優(yōu)點(diǎn)：
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