[發(fā)明專利]石墨烯納米電子器件及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510064601.3
• 申請(qǐng)日: 2015-02-06
• 公開（公告）號(hào): CN104701146B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐成春;顧長志;楊海方;李俊杰;金愛子;姜倩晴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院物理研究所
• 主分類號(hào): H01L21/04
• 分類號(hào): H01L21/04;H01L29/16;B82Y10/00
• 代理公司: 北京智匯東方知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11391
• 代理人: 范曉斌,梁田

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種石墨烯納米電子器件及其制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的準(zhǔn)二維納米材料，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。因此，目前對(duì)石墨烯的材料性質(zhì)、制備方法及器件加工技術(shù)等方面的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。石墨烯的制備方法包括多種，如機(jī)械剝離法、碳化硅熱解法、電弧放電法及CVD合成法等。在電子器件制備領(lǐng)域，摻雜對(duì)改善和提高石墨烯的電學(xué)磁學(xué)性能有很大幫助。對(duì)于二維結(jié)構(gòu)的石墨烯，化學(xué)摻雜存在摻雜困難，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。物理結(jié)構(gòu)摻雜如人工制備納米條帶或納米多孔反點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)也能轉(zhuǎn)變石墨烯的性質(zhì)，使其由半金屬性轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)體。此外通過控制納米結(jié)構(gòu)的尺寸還可以進(jìn)一步調(diào)控石墨烯的電學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)性能。

制備納米孔石墨烯的方法有許多，在文獻(xiàn)(A general and scalable synthesis approach to porous graphene,Nature Communications,5,4716(2014))中公開了一種利用濺射金屬氧化物顆粒氧化石墨烯的方法來制備多孔石墨烯。

文獻(xiàn)(Large-Scale Production of Nanographene Sheets with a Controlled Mesoporous Architecture as High-Performance Electrochemical Electrode Materials Chem Sus Chem 6,1084(2013))中公開了一種利用金屬鎂在二氧化碳中燃燒淬火直接制備多孔石墨烯的方法。也有文獻(xiàn)報(bào)道先通過金屬催化劑化學(xué)氣相沉積石墨烯，然后采用化學(xué)腐蝕將其轉(zhuǎn)移到介質(zhì)襯底上再通過光刻加工的方法得到多孔石墨烯。

上述的方法雖然能夠獲得多孔石墨烯結(jié)構(gòu)，并在一些領(lǐng)域獲得良好的應(yīng)用前景，但是上述方法中有的在制備石墨烯結(jié)構(gòu)過程中存在著納米尺寸不可控的問題，有的方法所獲得的石墨烯存在多層疊加或者金屬離子污染等各種問題，不能滿足納米電子器件加工的需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的旨在提供一種石墨烯納米電子器件及其制備方法，可以大規(guī)模地制備高精度和一致性好的石墨烯納米電子器件。

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種石墨烯納米電子器件的制備方法，用于在一襯底上形成至少一個(gè)石墨烯納米電子器件，每一石墨烯納米電子器件包括帶有納米結(jié)構(gòu)的石墨烯區(qū)以及與石墨烯區(qū)連接的金屬電極，該制備方法包括：步驟S1、提供一襯底，襯底的上表面由絕緣介質(zhì)材料形成。步驟S2、在襯底的上表面上形成連續(xù)的石墨烯層，并且石墨烯層基本上覆蓋襯底的整個(gè)上表面。步驟S3、在石墨烯層上形成各個(gè)金屬電極。步驟S4、在石墨烯層上覆蓋抗蝕劑層，采用電子束曝光的方式對(duì)抗蝕劑層進(jìn)行曝光，以使得抗蝕劑層成形為預(yù)定的掩模的形狀。其中，掩模的圖案成形為僅用于在各個(gè)石墨烯區(qū)在石墨烯層中的預(yù)定位置處形成各個(gè)石墨烯區(qū)的納米結(jié)構(gòu)。步驟S5、對(duì)帶有掩模的襯底進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，以在石墨烯區(qū)中形成納米結(jié)構(gòu)。步驟S6、在形成納米結(jié)構(gòu)之后，去除石墨烯區(qū)周圍的一部分石墨烯層，以將石墨烯層中的石墨烯區(qū)與石墨烯區(qū)外的其余石墨烯層斷開。

進(jìn)一步地，步驟S3還包括：在石墨烯層上形成用于在電子束曝光時(shí)將曝光版圖與襯底進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，該對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記包括：用于將曝光版圖與襯底進(jìn)行整體對(duì)準(zhǔn)的全局對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記以及在每一石墨烯區(qū)在石墨烯層中的預(yù)定位置周圍形成的局部對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。

進(jìn)一步地，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記為在石墨烯層上形成的金屬標(biāo)記，其與金屬電極同時(shí)形成。

進(jìn)一步地，采用光刻和平板印刷工藝形成對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和金屬電極；優(yōu)選地，光刻為紫外光刻。

進(jìn)一步地，在步驟S2中，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在襯底的上表面上沉積石墨烯層。

進(jìn)一步地，在步驟S6中，采用光刻和等離子體刻蝕工藝進(jìn)行去除操作；優(yōu)選地，光刻為紫外光刻。

進(jìn)一步地，納米結(jié)構(gòu)為石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)或石墨烯納米反點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，至少一個(gè)石墨烯納米電子器件為在襯底上呈周期性陣列布置的多個(gè)石墨烯納米電子器件。

進(jìn)一步地，在步驟S2中，在襯底上形成連續(xù)的石墨烯層之前，還包括對(duì)襯底進(jìn)行拋光和清洗的步驟；可選地，經(jīng)拋光后的襯底的表面粗糙度Ra＜3nm。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種石墨烯納米電子器件，該石墨烯納米電子器件采用上述任一種方法制備而成。