[發明專利]磁場輔助紫外光氧化實現石墨烯薄膜圖案化方法及其裝置

在審

• 申請號: 201810981805.7
• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號: CN110862083A
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 陶海華;蘇樹彬;黎浩;陳險峰;錢冬
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C01B32/194
• 分類號: C01B32/194
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發明提供了一種磁場輔助紫外光氧化實現石墨烯薄膜圖案化方法，包括如下步驟：步驟1：在紫外光氧化真空設備的樣品架(8)上放置磁場發生裝置，將紫外光氧化真空設備的磁場調至到預設磁場；所述預設磁場為反應腔室內的磁場、反應腔室內的磁場梯度方向均垂直于樣品架(8)；步驟2：將表面放置有掩模版(14)的樣品(13)置于樣品架(8)上，調整樣品架(8)與光源(6)的距離至預設距離；步驟3：將反應腔室(1)內的空氣排出。本發明利用磁場輔助紫外光氧化方法，以水分子為氧化源，通過在樣品表面施加豎直方向的非均勻磁場，控制紫外光生順磁性OH(X²Ⅱ)自由基產生定向運動，具有增強氧化刻蝕效果。

技術領域

本發明涉及一種制備薄膜圖案的方法，具體地，涉及一種磁場輔助紫外光氧化實現石墨烯薄膜圖案化方法及其裝置；尤其涉及一種利用紫外光照射水分子將其分解生成順磁性強氧化OH(X²Ⅱ)自由基，在非均勻豎直磁場中定向刻蝕石墨烯，實現高質量的石墨烯薄膜圖案化的方法及其裝置。

背景技術

在以低壓汞燈、氙燈準分子放電管為光源的紫外光氧化過程中，184.9nm和172nm的紫外光輻射能將氧氣分解生成氧原子和臭氧分子，氧原子具有很強的氧化性，能夠有效清除大多數金屬、半導體和絕緣材料的有機污染物，在材料生長、表面改性和器件制備等基礎研究和產業應用領域發揮著重要作用。由于氧氣分子和基態氧原子O(³P)均具有順磁性，通過施加磁場、磁場梯度方向均垂直于樣品表面的非均勻磁場，基態氧原子具有定向增強氧化刻蝕，能夠實現石墨烯薄膜圖案化及在電子、光電子元件領域的應用(Sci.Rep.7,46583,2017；Phys.Chem.Chem.Phys.19,27353,2017，申請專利號：201610546722.6)。

以氧氣分子為氧化源，開展磁場輔助紫外光氧化制備石墨烯薄膜圖案存在如下瓶頸，(1)基態氧原子的氧化刻蝕強度與傳統的激光或者氧等離子體相比較低；(2)紫外光分解過程中產生的不穩定弱抗磁性臭氧氣體分子，其導致了掩模版下面石墨烯的橫向鉆蝕氧化。

若以水汽取代氧氣作為氧化源，在波長為120～186.4nm范圍內的紫外光照射下，水分子發生光解反應，生成自旋均為1/2的H(1²S)和強氧化性OH(X²Ⅱ)自由基(J.Chem.Phys.46,2440,1967)。然而，由于水汽對該波段紫外光的強吸收及其它氣體散射，使得紫外光在大氣條件下傳輸數毫米甚至幾十微米范圍后即急劇衰減，該紫外光氧化對樣品表面清洗或氧化效果極弱，導致以水分子為氧化源的紫外光氧化方法并未在傳統紫外光氧化設備中推廣。我們利用紫外光氧化真空腔室，可以有效控制水汽的含量，通過排出腔室其它氣體并控制引入的水分子壓強可有效降低氣體分子散射和增大紫外光傳輸距離，實現增強紫外光氧化。通過進一步在真空腔室中施加非均勻豎直磁場，順磁性強氧化OH(X²Ⅱ)自由基磁化并對石墨烯薄膜產生定向增強氧化刻蝕，且定向運動的順磁性H(1²S)自由基能降低對OH(X²Ⅱ)的散射。因此，在該紫外光氧化過程中，水汽對低壓汞燈發射的184.9nm光子或氙燈準分子放電管發射的172nm光子吸收系數增大，且OH(X²Ⅱ)自由基的氧化性比基態氧原子O(³P)強百萬倍，在磁控條件下能顯著提高對碳原子的刻蝕強度，達到“裁剪”石墨烯薄膜實現圖案化目的，如方程式(1)、(2)所示。具體來說：與氧氣分子相比，水汽分子對低壓汞燈發射的184.9nm光子或氙燈準分子放電管發射的172nm光子的吸收系數(1atm下，184.9nm處為～1.5cm^-1，172nm處為～100cm^-1)比氧氣分子均提高一個數量級。此外，水分子為穩定的弱抗磁性分子，這有效避免了其在掩模版下面因橫向鉆蝕導致與臭氧氣體類似的氧化刻蝕。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種磁場輔助紫外光氧化實現石墨烯薄膜圖案化方法。