[發(fā)明專利]一種全碳石墨烯器件及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410513286.3
• 申請(qǐng)日: 2014-09-29
• 公開（公告）號(hào): CN104393027B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方英;楊龍;李紅變
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國家納米科學(xué)中心
• 主分類號(hào): H01L29/16
• 分類號(hào): H01L29/16;H01L29/772;H01L21/04
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 鞏克棟,侯桂麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全碳石墨烯器件及其制備方法。

背景技術(shù)

在過去的幾十年間，半導(dǎo)體行業(yè)按照摩爾定律的預(yù)言迅猛發(fā)展，隨著硅基器件的尺寸不斷減小，芯片集成度不斷提高，計(jì)算機(jī)的信息處理速度也越來越快，信息化對(duì)社會(huì)生活的影響無處不在。然而，硅基器件的尺寸日益接近理論極限，人們希望能夠找到新途徑，繼續(xù)提高計(jì)算機(jī)的性能。碳材料的出現(xiàn)為電子器件的發(fā)展提供了新的契機(jī)，石墨烯和碳納米管是由sp²雜化碳原子組成的兩種同素異構(gòu)體，它們具有優(yōu)異的熱、電、光、機(jī)械性能。石墨烯是零禁帶的二維半金屬材料，具有極高的載流子遷移率和熱導(dǎo)率，有望進(jìn)一步提高電子器件的集成度和速度。碳納米管薄膜具有很高的電流負(fù)荷量(10⁹A·cm^-2)和熱導(dǎo)率(3500W·m^-1·K^-1)，是一類理想的電極材料。

柔性電子器件的制備是一種新興電子技術(shù)，以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域，具體如在可折疊柔性顯示技術(shù)、可穿戴柔性太陽能電池以及便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景。柔性電子器件要求材料不僅具有金屬或者半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)性能，而且具有良好的機(jī)械性能。目前柔性電子器件的制備主要基于導(dǎo)電聚合物材料聚苯胺、聚吡咯等，但是導(dǎo)電聚合物材料穩(wěn)定性差、遷移率低。因此，在高速集成電子的應(yīng)用中，基于有機(jī)聚合物材料的柔性電子器件有極大的局限性。石墨烯、碳納米管與高分子材料相比，具有更優(yōu)電學(xué)和機(jī)械性能，化學(xué)穩(wěn)定性高，可用于制備電學(xué)、力學(xué)性能更為優(yōu)異的柔性器件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一在于提供一種全碳石墨烯器件，器件的有效溝道材料為單層石墨烯；源漏電極材料為碳納米管石墨烯復(fù)合膜；電極與溝道的接觸為連續(xù)石墨烯。本發(fā)明提供的石墨烯器件溝道材料與電極材料為一連續(xù)整體，電極接觸穩(wěn)定性好，器件電學(xué)性能優(yōu)異；利用碳納米管石墨烯復(fù)合膜作為電極，器件具有更優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種全碳石墨烯器件，包括源電極、漏電極、溝道、基底層，所述源電極和漏電極分別連接于溝道的兩側(cè)，所述基底層位于源電極、漏電極及溝道的下方；所述源電極和漏電極為碳納米管-石墨烯復(fù)合膜；所述溝道由石墨烯組成；所述源電極、漏電極與溝道為連續(xù)一體薄膜；所述基底層作為支撐層位于所述薄膜下面。

對(duì)于本發(fā)明所述的全碳石墨烯器件，用于組成溝道的石墨烯為單層石墨烯。

優(yōu)選地，所述復(fù)合膜中石墨烯的層數(shù)為1-5層。

對(duì)于本發(fā)明所述的全碳石墨烯器件，所述基底層為硅片或柔性基底。

優(yōu)選地，所述柔性基底為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺或者聚二甲基硅氧烷中的一種。

優(yōu)選地，所述硅片為高摻雜硅晶圓。

優(yōu)選地，所述高摻雜硅晶圓表面覆蓋熱氧化二氧化硅層。

優(yōu)選地，所述聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯基底層厚度為100μm-1000μm之間，優(yōu)選為200μm。

本發(fā)明中的復(fù)合膜請(qǐng)參見方英等人于2014年4月1日申請(qǐng)的“一種碳納米管編織的石墨烯薄膜、制備方法及光伏應(yīng)用”(申請(qǐng)?zhí)枺?01410128376.0)中的方法制備。

對(duì)于本發(fā)明所述的全碳石墨烯器件，其特征在于，所述源電極與漏電極之間的間距為1μm-1000μm，例如為2μm，10μm，20μm，30μm，40μm，50μm，100μm，200μm，300μm，500μm，800μm等，溝道的寬度為1μm-1000μm例如為2μm，10μm，20μm，30μm，40μm，50μm，100μm，200μm，300μm，500μm，800μm等。

優(yōu)選地，當(dāng)PET基底層厚度為200μm時(shí)，所述的全碳石墨烯器件的最小彎曲半徑為1.3mm。

本發(fā)明的目的之一還在于提供本發(fā)明所述全碳石墨烯器件的制備方法，包括如下步驟：

(1)將銅箔上的碳納米管膜圖形化，碳納米管膜部分被刻蝕露出銅箔；

(2)將步驟(1)所得的碳納米管膜圖形化的銅箔放入化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，生長石墨烯，碳納米管膜覆蓋部分得到復(fù)合膜，裸露銅箔上生長出單層石墨烯，從而得到復(fù)合膜-石墨烯薄膜，復(fù)合膜部分將用于制備源漏電極，單層石墨烯部分將作為器件溝道；

任選地(3)分割步驟(2)所得復(fù)合膜-石墨烯薄膜，制備不同尺寸的源漏電極和溝道；