一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及納米加工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法。采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其通過原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷，然后用含氫等離子體對該石墨烯進(jìn)行各向異性刻蝕。此方法能夠在石墨烯上實(shí)現(xiàn)小于200nm周期的納米孔洞陣列圖案。且超晶格石墨烯納米結(jié)構(gòu)的周期和納米帶寬度是可控的。原子力顯微鏡針尖的加工方法簡單并且沒有引入額外污染的手段，所得的器件十分干凈。此外，輔助針尖陣列加工工藝，本方法可用于器件集成，批量生產(chǎn)石墨烯納米結(jié)構(gòu)器件。
【專利說明】—種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米加工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是單原子層的石墨片，具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，其電子遷移率高達(dá)100，000cm2V-ls-l,最早于2004年由英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家制備出來(Science306, 666 (2004))。單層石墨烯中的電子在狄拉克點(diǎn)附近具有線性的色散關(guān)系，屬于無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，其費(fèi)米速度為光速的1/300，因此該材料的發(fā)現(xiàn)為凝聚態(tài)材料的物性研究及計算提供了理想的實(shí)現(xiàn)途徑。
[0003]石墨烯超晶格多孔納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)同時受到量子限域效應(yīng)和周期勢調(diào)制的影響:隨著納米帶尺寸的縮短，原本沒有能隙的石墨烯會打開一個能隙；另一方面，超晶格的結(jié)構(gòu)之前也被證實(shí)可以進(jìn)一步調(diào)制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，會在狄拉克點(diǎn)附近產(chǎn)生新的超晶格狄拉克點(diǎn)(Nature Materialsl2, 792 (2012))。所以通過控制納米帶的尺寸和打孔的周期我們可以進(jìn)行石墨烯的能帶工程，在保證高的器件開關(guān)比的同時仍然具有較大的輸出電流。所以這種多孔的超晶格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被視為石墨烯能帶工程中非常重要的器件模型。
[0004]通過傳統(tǒng)的微加工手段可以制備這種石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)，然后其加工難度較大，分辨率受電子束曝光近鄰效應(yīng)的限制難以將孔洞的周期控制在200nm以下?，F(xiàn)有技術(shù)中提供了一種利用自組裝的共聚物納米顆粒做掩膜來制備石墨烯納米網(wǎng)的結(jié)構(gòu)(NatureNanotechnology5, 190 (2010)),這種方法雖然可以達(dá)到IOOnm以下的周期,但是空洞沒有嚴(yán)格的周期性，同時和微加工制備得到的納米結(jié)構(gòu)有共同的問題，即石墨烯的邊緣是粗糙的無序結(jié)構(gòu)，這在一定程度上降低了器件的電學(xué)性質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，能夠可控地加工出小于200nm周期的納米孔洞陣列圖案，且能夠得到具有原子級平整的zigzag邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。
[0006]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其包括:
[0008]步驟A:采用原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷；
[0009]步驟B:用含氫等離子體對該石墨烯進(jìn)行各向異性刻蝕。
[0010]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，在步驟A之前還包括通過機(jī)械剝離的方法將石墨烯轉(zhuǎn)移到具有氧化層的硅片基底上。
[0011]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，將石墨烯轉(zhuǎn)移到具有氧化層的硅片基底上之后，還包括鋪設(shè)與石墨烯導(dǎo)通的器件電極，以及與硅片基底導(dǎo)通的附加電極，其中，所述器件電極和附加電極之間通過引線導(dǎo)通。
[0012]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，所述附加電極的鋪設(shè)方法為:在硅片基底氧化層上設(shè)置若干個穿透氧化層的凹槽，在凹槽處設(shè)置附加電極，并且是附加電極與硅片基底導(dǎo)通。
[0013]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，在步驟A中，所述脈沖電壓的一個電極與原子力顯微鏡的針尖連通，另一個電極與硅片基底導(dǎo)通。
[0014]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，在步驟A中，脈沖電壓的電壓值為-5V?-10V。
[0015]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，在步驟A中，人工空位缺陷為孔洞，該孔洞的直徑為30nm-60nm。
[0016]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，在步驟A中，脈沖電壓的持續(xù)時間為0.5s-l.5s。
[0017]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，在步驟A中，所述人工空位缺陷呈周期性排布。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:本申請?zhí)峁┝艘环N采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其通過原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷，然后用含氫等離子體對該石墨烯進(jìn)行各向異性刻蝕。此方法能夠在石墨烯上實(shí)現(xiàn)小于200nm周期的納米孔洞陣列圖案。且超晶格石墨烯納米結(jié)構(gòu)的周期和納米帶寬度是可控的。原子力顯微鏡針尖的加工方法簡單并且沒有引入額外污染的手段，所得的器件十分干凈。此外，輔助針尖陣列加工工藝，本方法可用于器件集成，批量生產(chǎn)石墨烯納米結(jié)構(gòu)器件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】提供的石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)加工過程的流程示意圖。
[0020]其中:
[0021]1:氧化娃；2:娃片基底；3:石墨??；4:凹槽；5:器件電極；6:附加電極；7:引線；8:針尖；9:氧等尚子體。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖并通過【具體實(shí)施方式】來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0023]如圖1所示，在此實(shí)施方式中，本申請?zhí)峁┝艘环N采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其包括:步驟A:采用原子力顯微鏡的針尖8加脈沖電壓的方式在石墨烯3上形成人工空位缺陷。
[0024]步驟B:用含氫等離子體9對該石墨烯3進(jìn)行各向異性刻蝕。
[0025]采用原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方法來人為引入周期性的空位缺陷，其最小的周期可以達(dá)到50nm，之后通過氫氣等離子體9處理使空洞的邊界形成原子級平滑的zigzag (鋸齒形)邊界，同時可以準(zhǔn)確的控制石墨烯3納米帶的尺寸
[0026]在步驟A之前還包括通過機(jī)械剝離的方法將石墨烯3轉(zhuǎn)移到具有氧化層的硅片基底2上。
[0027]由于氧化硅I絕緣層的存在，如果直接用加負(fù)壓的針尖8去燒石墨烯3孔洞的話會在石墨烯3表面產(chǎn)生電荷積累，往往出現(xiàn)陣列中靠后的孔洞無法加工出來，所以讓石墨烯3和硅片基底2導(dǎo)電，并最終和針尖8形成回路是一個必要的前期準(zhǔn)備工作。因此，將石墨烯3轉(zhuǎn)移到具有氧化層的硅片基底2上之后，還包括鋪設(shè)與石墨烯3導(dǎo)通的器件電極5，以及與硅片基底2導(dǎo)通的附加電極6，其中，所述器件電極5和附加電極6之間通過引線7導(dǎo)通。
[0028]上述附加電極6的鋪設(shè)方法為:在硅片基底2氧化層上設(shè)置若干個穿透氧化層的凹槽4，在凹槽4處設(shè)置附加電極6，并且是附加電極6與硅片基底2導(dǎo)通。
[0029]附加電極6具體的鋪設(shè)方法為:其中加工附加電極6的關(guān)鍵步驟是要在蒸電極之前用玻璃刀在氧化硅I邊緣劃幾道，以破壞300nm的氧化硅，使得最終一部分金膜和硅片基底2導(dǎo)通的，然后再沉積上鈦/金電極，最后用引線儀將該區(qū)域和金屬電極(即器件電極)連接起來，已達(dá)到石墨烯3和硅片基底2導(dǎo)通的目的。在原子力顯微鏡加工完后就要將金引線拆掉，便于后期器件的測量。
[0030]原子力顯微鏡在納米尺度的操縱方面具有非常高的精度和靈活度，我們這里采用的是接觸模式的硅針尖(本身導(dǎo)電)，用原子力顯微鏡的Nanolithography程序編程，使針尖在我們預(yù)設(shè)的周期格點(diǎn)位置放出脈沖電壓。其中:脈沖電壓的一個電極與原子力顯微鏡的針尖連通，另一個電極與硅片基底導(dǎo)通。電壓通常在-5V和-1OV之間，具體大小要取決于石墨烯的厚度；人工空位缺陷為孔洞，且該人工空位缺陷呈周期性排布。孔洞的大小一般在30nm到60nm之間，取決于電壓的大小以及針尖的形狀；脈沖時間為0.5s_l.5s，作為優(yōu)選的，脈沖時間為ls，并且即便延長時間所得到的孔洞的直徑變化并不大。
[0031]需要說明的是:氫氣等離子體對石墨烯的刻蝕只發(fā)生在石墨烯的缺陷和邊緣處，所以隨后的刻蝕階段之前原子力顯微鏡針尖得到的孔洞會被放大，但是并不會造成新的缺陷或孔洞。同時由于刻蝕的各向異性，我們最終得到的納米結(jié)構(gòu)是具有zigzag邊緣的超晶格多孔石墨烯納米結(jié)構(gòu)。通過控制刻蝕的時間，我們可以得到想要的寬度的納米帶；另外Nanolithography中可以控制孔洞的周期大小。最終我們可以得到最小50nm周期的納米結(jié)構(gòu)，以及納米帶寬度在20nm—下的納米結(jié)構(gòu)。
[0032]為了對上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行具體的說明，本申請還提供了上述加工方法的具體步驟，其包括以下步驟:
[0033]步驟A:通過機(jī)械剝離法把石墨烯片轉(zhuǎn)移到300nm氧化層的硅片基底上，在光學(xué)顯微鏡下確定石墨烯的層數(shù)并進(jìn)行定位。
[0034]步驟B:在樣品上旋涂一層PMMA光刻膠，通過電子束曝光技術(shù)得到預(yù)設(shè)的窗口圖案，曝光后用玻璃刀在基片表面劃幾刀，使得露出下面導(dǎo)電的硅層。
[0035]步驟C:用電子束蒸發(fā)設(shè)備向步驟B得到的樣品沉積上金屬電極，然后用丙酮lift-off 樣品。
[0036]步驟D:用引線儀將與石墨烯相連的金屬電極和玻璃刀處理過地方的金屬用金線連接起來，達(dá)到是石墨烯與襯底導(dǎo)通的目的。
[0037]步驟E:對步驟D得到的樣品用原子力顯微鏡進(jìn)行形貌表征，確定器件加工區(qū)域，然后通過Nanolithography程序給針尖加上_5V?-1OV左右的電壓,并在指定的周期位置打點(diǎn)。
[0038]步驟F:對步驟E得到的樣品我們再利用氫氣等離子體進(jìn)行各向異性刻蝕加工，從而得到具有zigzag手性的原子級平整的六角孔洞，最終得到我們要的超晶格多孔石墨烯納米結(jié)構(gòu)器件。
[0039]上述加工方法可以在石墨烯上實(shí)現(xiàn)小于200nm周期的納米孔洞陣列圖案。且超晶格石墨烯納米結(jié)構(gòu)的周期和納米帶寬度是可控的。同時，原子力顯微鏡針尖的加工方法簡單并且沒有引入額外污染的手段，整個器件加工過程只有一步涂膠曝光過程，所得的器件十分干凈。此外，輔助針尖陣列加工工藝，本方法可用于器件集成，批量生產(chǎn)石墨烯納米結(jié)構(gòu)器件。
[0040]以上結(jié)合具體實(shí)施例描述了本發(fā)明的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制?；诖颂幍慕忉?，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它【具體實(shí)施方式】，這些方式都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括: 步驟A:采用原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷； 步驟B:用含氫等離子體對該石墨烯進(jìn)行各向異性刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟A之前還包括通過機(jī)械剝離的方法將石墨烯轉(zhuǎn)移到具有氧化層的硅片基底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，將石墨烯轉(zhuǎn)移到具有氧化層的硅片基底上之后，還包括鋪設(shè)與石墨烯導(dǎo)通的器件電極，以及與硅片基底導(dǎo)通的附加電極，其中，所述器件電極和附加電極之間通過引線導(dǎo)通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述附加電極的鋪設(shè)方法為:在硅片基底氧化層上設(shè)置若干個穿透氧化層的凹槽，在凹槽處設(shè)置附加電極，并且是附加電極與硅片基底導(dǎo)通。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟A中，所述脈沖電壓的一個電極與原子力顯微鏡的針尖連通，另一個電極與硅片基底導(dǎo)通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟A中，脈沖電壓的電壓值為-5V?-10V。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟A中，人工空位缺陷為孔洞，該孔洞的直徑為30nm-60nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟A中，脈沖電壓的持續(xù)時間為0.5s-l.5s。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟A中，所述人工空位缺陷呈周期性排布。
【文檔編號】B82B3/00GK103787270SQ201410038158
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】成蒙, 張廣宇, 時東霞 申請人:中國科學(xué)院物理研究所