一种二维通道结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维通道结构及其制备方法。本发明专利技术采用支架支撑隔离层，获得多种二维通道结构，适用材料范围广；各层的间距精确可控，二维通道结构设计约束少，适用众多图案；适合工业化生产，图案精度高且适用于多种工业化生产方法，制作方法简单，成本低，用途广泛；工艺约束小，适合多种工艺；可以在隔离层上设计电路，通过外接电源或电信号或光源，或通过调制不同入口压强，控制离子或分子走向，达到能量转换或药物合成等目的；图案配合适当的探测手段(如拉曼光谱，荧光谱等)能有效实现单分子探测或其他生物探测及化学探测，可配合的系统广泛。

Two dimensional channel structure and preparation method thereof

The invention discloses a two-dimensional channel structure and a preparation method thereof. The invention adopts support isolation layer, to obtain a variety of two-dimensional channel structure, suitable for a wide range of materials; precise and controllable spacing of each layer, two-dimensional channel structure design constraints, applicable to various patterns; suitable for industrialized production, the pattern of high precision and is suitable for various industrial production methods, production method is simple, low cost, wide application; process constraint small, suitable for a variety of technology; can design circuit in the isolation layer, the external power supply or electric or light, or by modulating the different entrance pressure, control of ions or molecules to achieve energy conversion or drug synthesis purposes; patterns with appropriate detection methods (such as Raman spectroscopy, fluorescence spectroscopy) can be realized single molecule detection or other biological detection and chemical detection system can be effective, with extensive.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制备技术，尤其涉及一种二维通道结构及其制备方法。
技术介绍
二维材料如石墨烯、过渡金属硫族化物(如MoS2等)和III-V族量子阱结构都对其内电子形成有效的束缚从而有多种应用。而类比于空心的二维结构，则可以对离子、电解质、有机分子等形成很好的限制并可有效控制其输运。同时空心的二维层状结构有很大的表面积，可用于做气体吸附、颗粒吸附、化学合成、电池、电容等多种应用。现今绝大多数二维层状结构是用二维层状材料做隔离层制备而成，采用的是剥离-重构的方法。由此种方法制备出的二维通道结构可以形成连续且强韧的块材形式，有很大的空实心比(二维通道比隔离层的体积比)，在流体实验中显示出非常好的电解液、离子控制性质，部分材料在较高温度下保持性质和结构不变。在制备过程中，加入化学表面活性剂或使用其他化学表面修饰过程可以使二维通道表面性质改变，或加入纳米管撑起层状结构，可一定程度上控制二维通道的层内间距，可改变对不同离子或电解液在二维通道内的移动能力。另有报道通过压印-刻蚀的方法制备有机单层二维通道，其单层厚度在200nm至10nm之间，也可以通过表面处理改变离子传输性质。由于材料和制备工艺限制，剥离-重构法只适用于天然的层状材料，层间的间距也很难精细调控，即使用了化学表面修饰的方法。用毛细管-紧压的方法虽能有效控制二维通道平均间距，但涨落偏差较大，不能精确研究单二维通道内不同层内间距对离子输运、电解液、气体输运等的影响，且也只能用天然层状材料。同时天然层状材料很难用掺杂等方法精细控制表面电荷密度，现有方法的表面电荷密度控制都是通过后续表面加工才得以完成，且较难实现正表面电荷。扩展材料的范围，精确控制二维通道的层内间距，多种控制表面电荷的方法，实现正电荷表面密度等需求有重大价值。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的问题和改良的需求，本专利技术提出了一种二维通道结构及其制备方法，可完成上述需求，并可以大规模工业化制备，精确控制结构、形貌，方便加工，适用多种材料且可制成器件，可依材料有不同工作温度区间。本专利技术的一个目的在于提供一种二维通道结构。本专利技术的二维通道结构为单层结构或多层结构。二维通道结构为多层结构，本专利技术的二维通道结构包括：衬底、支架、隔离层和二维通道；其中，在衬底上生长隔离层和牺牲层，在衬底上形成多层结构，多层结构为隔离层和牺牲层的组合，但两层牺牲层不能相邻；根据设计好的二维通道的图形，在多层结构上刻蚀或腐蚀掉二维通道的图形的边缘，多层结构中保留下来的部分形成二维通道模板，二维通道的侧边缘落在二维通道模板的侧边缘，二维通道模板的边缘的部分或全部构成支架槽；在支架槽内形成支架，在去除牺牲层后支架能够支撑各层隔离层并且能够控制各隔离层之间的间距，如果多层结构的最上一层为牺牲层，则生长一层保护层覆盖最上层的牺牲层，保护层的材料与支架相同或不同；刻蚀或腐蚀支架或二维通道模板的部分区域，形成通口，通口使得牺牲层中要去除部分存在暴露在外的表面；除去牺牲层中需要被去除部分，形成二维通道，二维通道的边缘区域由支架连接，从而形成支撑。二维通道结构为单层结构，本专利技术的二维通道结构包括：衬底、支架、保护层和二维通道；其中，在衬底上生长牺牲层；根据设计好的二维通道的图形，在牺牲层上刻蚀或腐蚀掉二维通道的图形的边缘，牺牲层中保留下来的部分形成二维通道模板，部分或全部二维通道模板的边缘构成支架槽；在支架槽内形成支架，在牺牲层上生长一层保护层覆盖牺牲层，保护层的材料与支架相同或不同；在去除牺牲层后支架能够支撑保护层并且能够控制保护层与衬底之间的距离；刻蚀或腐蚀支架或二维通道模板的部分区域，形成通口，通口使得牺牲层中要去除部分存在暴露在外的表面；除去牺牲层中需要被去除部分，形成二维通道，二维通道的边缘区域由支架连接，从而形成支撑。进一步，去除支架槽边缘的牺牲层，将支架槽形成分支深入之牺牲层内，从而形成支型结构的支架，使得支架更加稳固地支撑隔离层及后面形成的二维通道。牺牲层中保留的部分，用作支撑或隔离的作用。支架、隔离层和牺牲层依材料具有伸缩、延展或弯曲形变能力。连接各层隔离层的支架在形状、位置上相同或不同，支架连续或不连续。多层的二维通道结构中，各层的二维通道结构、隔离层结构和支架依需求相同或不同。支架具有功能性用途，压电伸缩、电信号导通、电导通、电线或光线限制等。进一步，二维通道的图形采用相互连接形成大区域图形，不同层的二维通道具有相同或不同的垂直层面方向的通道连接。隔离层由相同或不同种物质组成，有不同区域(层内水平方向和层间竖直方向)掺杂、化学修饰等，在隔离层上形成电池等能量转换器件，在隔离层上有功能图案，如绘制微纳电路等，不同隔离层不一定相同，丰富其应用范围。进一步，二维通道具有水平方向或竖直方向的周期性，隔离层具有水平方向和竖直方向的周期性。周期性为单周期、多周期或准周期。本专利技术采用清除牺牲层的方式形成空间上的单层或多层的二维通道结构，以及能支撑不同隔离层的支架，达到精确保持隔离层间的间距，并提供支撑的目的。牺牲层和隔离层的材料的选择，III-V族二元或多元半导体合金形成的化合物的分解温度不同，且最高分解温度和最低分解温度相差很大，同时在高温和真空条件下，分解温度低于环境温度的产物会逐渐变成气体飞离，而分解温度高于环境温度的产物则基本保持不变，这样牺牲层就采用低分解温度材料层，隔离层就采用高分解温度材料层。同样对于不同的金属、有机物、绝缘体和陶瓷，由于化学性质和物理性质不同，通过刻蚀或腐蚀或高温分解也可以形成空间上牺牲-隔离区域，不同种材料依需求进行混合搭配。或者，牺牲层采用在化学环境中被腐蚀掉的材料，而隔离层采用不被腐蚀掉的材料。多种生长工艺能有效、精确的控制材料的结构。本专利技术的另一个目的在于提供一种二维通道结构的制备方法。本专利技术的二维通道结构的制备方法，多层结构的制备方法包括以下步骤：1)提供衬底，并对衬底进行预处理；2)设计二维通道的图形，并确定需要的隔离层和牺牲层的层数以及采用的材料；3)在衬底上生长或铺上隔离层和牺牲层，在衬底上形成多层结构，多层结构为隔离层和牺牲层的组合，但两层牺牲层不能相邻；4)根据设计好的二维通道的图形，刻蚀或腐蚀多层结构至衬底，在多层结构上刻蚀或腐蚀掉二维通道的图形的边缘，多层结构中保留下来的部分形成二维通道模板，二维通道的侧边缘落在二维通道模板的侧边缘，二维通道模板的边缘的部分或全部构成支架槽；5)通过生长或注入的方式，在支架槽形成支架，在去除牺牲层后支架能够支撑各层隔离层并且能够控制各隔离层之间的间距，并且根据二维通道的图形，支架要至少覆盖牺牲层中需要保留部分的侧面，如果步骤3)中制备的多层结构的最上一层为牺牲层，则生长或注入一层保护层覆盖最上层的牺牲层，保护层的材料与支架相同或不同；6)根据设计的二维通道的图形，刻蚀或腐蚀支架或二维通道模板的部分区域，暴露出牺牲层中需要去除部分的侧壁，形成通口；7)用高温分解或者化学腐蚀的方法，从通口处向内分解掉或腐蚀掉牺牲层中需要去除部分，准确除去需要被去除的牺牲层，牺牲层中被除去的部分形成二维通道，二维通道的边缘由支架和牺牲层保留下来的部分支撑，二维通道、支架、隔离层或/和衬底形成二维通道结构；8)采用化学或物理方法处理和清洗二维通道结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维通道结构，其特征在于，所述二维通道结构包括：衬底、支架、隔离层和二维通道；其中，在衬底上生长隔离层和牺牲层，在衬底上形成多层结构，所述多层结构为隔离层和牺牲层的组合，但两层牺牲层不能相邻；根据设计好的二维通道的图形，在多层结构上刻蚀或腐蚀掉二维通道的图形的边缘，所述多层结构中保留下来的部分形成二维通道模板，所述二维通道的侧边缘落在二维通道模板的侧边缘，二维通道模板的边缘的部分或全部构成支架槽；在支架槽内形成支架，在去除牺牲层后支架能够支撑各层隔离层并且能够控制各隔离层之间的间距，如果多层结构的最上一层为牺牲层，则生长一层保护层覆盖最上层的牺牲层，保护层的材料与支架相同或不同；刻蚀或腐蚀支架或二维通道模板的部分区域，形成通口，通口使得牺牲层中要去除部分存在暴露在外的表面；除去牺牲层中需要被去除部分，形成二维通道，二维通道的边缘区域由支架连接，从而形成支撑。

【技术特征摘要】
1.一种二维通道结构，其特征在于，所述二维通道结构包括：衬底、支架、隔离层和二维通道；其中，在衬底上生长隔离层和牺牲层，在衬底上形成多层结构，所述多层结构为隔离层和牺牲层的组合，但两层牺牲层不能相邻；根据设计好的二维通道的图形，在多层结构上刻蚀或腐蚀掉二维通道的图形的边缘，所述多层结构中保留下来的部分形成二维通道模板，所述二维通道的侧边缘落在二维通道模板的侧边缘，二维通道模板的边缘的部分或全部构成支架槽；在支架槽内形成支架，在去除牺牲层后支架能够支撑各层隔离层并且能够控制各隔离层之间的间距，如果多层结构的最上一层为牺牲层，则生长一层保护层覆盖最上层的牺牲层，保护层的材料与支架相同或不同；刻蚀或腐蚀支架或二维通道模板的部分区域，形成通口，通口使得牺牲层中要去除部分存在暴露在外的表面；除去牺牲层中需要被去除部分，形成二维通道，二维通道的边缘区域由支架连接，从而形成支撑。2.如权利要求1所述的二维通道结构，其特征在于，进一步，所述隔离层上具有不同区域组分变化或掺杂或化学修饰，或者具有能量转换器件，或者绘制功能图案，实现附加功能。3.如权利要求1所述的二维通道结构，其特征在于，进一步，所述二维通道具有水平方向或竖直方向的周期性，隔离层具有水平方向和竖直方向的周期性；周期性为单周期、多周期或准周期。4.如权利要求1所述的二维通道结构，其特征在于，牺牲层的材料采用分解温度低于隔离层的分解温度，或牺牲层采用在化学环境中被腐蚀掉的材料，而隔离层采用不被腐蚀掉的材料。5.如权利要求1所述的二维通道结构，其特征在于，形成支架槽时，进一步去除支架槽边缘的部分牺牲层，将支架槽形成分支深入之牺牲层内，从而形成支型结构的支架，使得支架更加稳固地支撑隔离层及后面形成的二维通道。6.一种二维通道结构，其特征在于，所述二维通道结构包括：衬底、支架、保护层和二维通道；其中，在衬底上生长牺牲层；根据设计好的二维通道的图形，在牺牲层上刻蚀或腐蚀掉二维通道的图形的边缘，所述牺牲层中保留下来的部分形成二维通道模板，部分或全部二维通道模板的边缘构成支架槽；在支架槽内形成支架，在牺牲层上生长一层保护层覆盖牺牲层，所述保护层的材料与支架相同或不同；在去除牺牲层后支架能够支撑保护层并且能够控制保护层与衬底之间的距离；刻蚀或腐蚀支架或二维通道模板的部分区域，形成通口，通口使得牺牲层中要去除部分存在暴露在外的表面；除去牺牲层中需要被去除部分，形成二维通道，二维通道的边缘区域由支架连接，从而形成支撑。7.一种二维通道结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)提供衬底，并对衬底进行预处理；2)设计二维通道的图形，并确定需要的隔离层和牺牲层的层数以及采用的材料；3)在衬底上生长或铺上隔离层和牺牲层，在衬底上形成多层结构，多层结构为隔离层和牺牲层的组合，但两层牺牲层不能相邻；4)根据设计好的二维通道的图形，刻蚀或腐蚀多层结构至衬底，在多层结构上刻蚀或腐蚀掉二维通道的图形的边缘，多层结构中保留下来的部分形成二维通道模板，二维通道的侧边缘落在二维通道模板的侧边缘，二维通道模板的边缘的部分或全部构成支架槽；5)通过生长或...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁竹君，王新强，王平，盛博文，李沫，张健，沈波，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11