[發明專利]一種具有周期可調屈曲結構的柔性半導體薄膜及制備方法

有效

• 申請號: 202010817419.1
• 申請日: 2020-08-14
• 公開（公告）號: CN111952322B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 潘泰松;王海錢;姚光;高敏;林媛
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L27/12
• 分類號: H01L27/12;H01L21/762;H01L29/06
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發明提供一種柔性屈曲結構周期可調的半導體薄膜及其制備方法，屬于納米薄膜制備技術領域。本發明通過在半導體薄膜上構筑周期性陣列排布的孔洞微結構，實現了在不改變預拉伸量和薄膜屬性的前提下調控半導體薄膜屈曲結構的周期，使得能夠適用于多種環境和條件下的應變工程研究，節約資源；并且配合使用柔性基底，使得整個薄膜具備一定的耐拉伸性；除此之外，本發明可調應變薄膜的制備工藝簡便易行，調控方法簡單易操作。

技術領域

本發明屬于納米薄膜制備技術領域，具體涉及一種柔性屈曲結構周期可調的半導體薄膜及其制備方法。

背景技術

上世紀60年代時，科學家們就提出過柔性可延展電子器件的概念，在過去數十年里，隨著科技進步與材料學發展，柔性電子器件，特別是有機柔性電子器件得到快速發展，如柔性OLED，柔性有機太陽能電池等。在力學領域里，很早便有對柔性結構的理論研究，在這些理論之中，屈曲(buckling)模型被認為是實現器件柔性、可延展化的一種有效的途徑。早在2004年，二維人字狀的屈曲模式被Chen等人發現并進行理論分析，他們論證了這種屈曲模式的產生是受系統能量最低的狀態所決定的。2005年，Huang等人通過力學理論說明了：一、基于一維屈曲模型理論，剛性薄膜的屈曲波長和波幅與基底薄膜厚度和模量的關系；二、通過二維有限厚度基底模型計算薄膜的二維屈曲形狀和三維基體的彈性場?；谝陨蟽善碚撐恼碌幕A，隨后的研究便開始更多地將傳統半導體材料或是器件進行柔性、可延展化地展開。2006年，UIUC的J.A.Rogers教授等人在Science上發表了一篇將硅刻蝕成納米條帶，在實現硅的屈曲化之后，通過表征方法測得屈曲狀波浪的波長與振幅，并與之前純理論模型預計相比較，得出了實驗與理論之間的一致性。屈曲結構的波紋周期在基底薄膜材料屬性和基底預拉伸量確定的情況下周期為固定值。

應變半導體薄膜技術被廣泛應用于現階段的集成電路工藝，因為半導體薄膜中的局部應力提升了載流子的遷移率，而調控具有屈曲結構的半導體薄膜的周期會帶來薄膜中局部應力的變化，提升半導體薄膜的電學特性；并且在光電傳感器件方面通過調控屈曲結構周期就可以間距調控單位薄膜面積接觸光的面積調控光電流的大小。因此，如果能實現不改變材料屬性以及拉伸量的條件下，能夠系統性調控半導體薄膜屈曲結構的周期變化的方法研究有重要意義。目前在半導體屈曲結構周期調控方面的研究較少，公開號為CN110620140A的“一種柔性梯度應變薄膜及其制備方法和應用”專利通過設計薄膜幾何輪廓形狀得到梯度應變薄膜，使其周期呈現了梯度變化，但是該方案較難按照要求去準確調控周期；Huang Yin等人通過在PDMS襯底上刻蝕溝槽，再轉移硅薄膜增加耐拉伸量，但并沒有涉及對屈曲結構周期的調控。

發明內容

針對背景技術所存在的問題，本發明的目的在于提供一種具有周期可調屈曲結構的柔性半導體薄膜及其制備方法。本發明應變薄膜通過在半導體薄膜上構筑周期性陣列排布的孔洞微結構，使得在不改變材料屬性以及拉伸量的條件下，構建的屈曲結構的周期可調，并且制備方法簡單、易于實現。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種具有周期可調屈曲結構的柔性半導體薄膜，包括柔性基底和位于柔性基底表面的具有屈曲結構的半導體薄膜，其特征在于，所述半導體薄膜上設置m*n個周期性陣列排布的孔洞，所述孔洞間距與孔洞的直徑的比值小于3，目標周期根據實際周期需求進行設置，垂直于預拉伸方向的相鄰兩孔洞之間的間距稱為孔洞間距，平行預拉伸方向的相鄰兩孔洞之間的間距稱為目標周期。

進一步地，所述半導體薄膜上設置的孔洞周期可以為固定周期或變化周期。

進一步地，所述半導體薄膜材料為硅、砷化鎵、鍺等；所述柔性基底材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex等。

進一步地，半導體薄膜的厚度為40-500nm，柔性基底的厚度為1-10mm。

進一步地，步驟1所述孔洞陣列的孔洞的直徑為4-42μm，垂直預拉伸方向和平行預拉伸方向的相鄰兩孔洞之間的間距均為7.5-150μm。