基于可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法技术

可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法，1)利用光刻、电子束直写或掩模板技术在硅/二氧化硅衬底上定义所需的平面图案，利用电感耦合等离子体ICP刻蚀或者反应离子体刻蚀RIE技术刻蚀有台阶的引导沟道；2)利用光刻、蒸发或者溅射工艺金属淀积工艺，制备金属催化层，作为纳米线的生长起点位置；在还原性气体等离子体使催化金属层转变成为分离的金属纳米颗粒；3)将温度降低到金属催化颗粒熔点以下，整个结构表面覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；4)将温度提高到适当温度以上，以使得纳米金属颗粒重新融化，并开始在前端吸收非晶层前驱体，而在后端生长淀积出晶态的纳米线结构。

Fabrication of large area graphene nanoribbon arrays using programmable nanowires as templates

Programmable nanowires are used as templates to fabricate large area graphene nanoribbon arrays. 1) Planar patterns are defined on silicon/silicon dioxide substrates by photolithography, electron beam direct writing or mask technology. Stepped guide channels are etched by ICP etching or RIE etching by reactive ion bodies; 2) Metals are etched by photolithography, evaporation or sputtering technology. Deposition process, preparation of metal catalytic layer, as the starting point of nanowire growth; in reducing gas plasma catalytic metal layer into separate metal nanoparticles; 3) lower the temperature below the melting point of metal catalytic particles, the entire structure surface covered with the required nanowire growth of amorphous semiconductor precursor film; 4) raise the temperature to appropriate temperature. In order to make the nano-metal particles melt again, and begin to absorb the precursor of amorphous layer at the front end, and grow and deposit the crystalline nanowire structure at the back end.

【技术实现步骤摘要】
基于可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法
本专利技术涉及一种基于可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法，实现了仅利用光刻技术，制备大面积、形貌可编程调控、纳米级石墨烯条带阵列，该技术可应用于图形化定义任意薄膜材料，且兼具电子束曝光纳米级精度与紫外光刻技术大面积定义的优势。本专利技术提供了一种获得大面积石墨烯纳米带阵列及逻辑阵列的可靠方法，可广泛应用于半导体微纳电子器件，尤其针对大面积电子(柔性石墨烯平板显示)、逻辑器件、柔性/可穿戴电子和场效应生物化学传感器件。
技术介绍
石墨烯作为一种新型二维薄膜材料，由英国曼彻斯特科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年发现，并于2010年获得诺贝尔物理学奖。作为迄今为止世界上最硬、最薄的材料，石墨烯还具有超高的迁移率，可高达200000cm2V-1s-1，约为硅材料电子迁移率的140倍。石墨烯由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型蜂巢晶格，结构稳定抗电击穿能力强。基于其单原子层结构、石墨烯是良好的场效应管沟道材料，经过刻蚀可将其宽度缩短至20nm以下，解决了硅基材料的短沟道效应，又与传统CMOS工艺兼容，故石墨烯在高速电子领域具有相当大的应用潜力。石墨烯高迁移率、良好导热性等优良性能使得石墨烯近年来成为学术界及工业界的研究焦点，但基于石墨烯的半金属特性，开关比一直是石墨烯逻辑器件的致命缺陷。研究工作者发现石墨烯纳米带表现出与大面积石墨烯不同的电学特性，随着石墨烯条带宽度减小，边缘效应改变了石墨烯的能带结构，当尺寸下降到一定数值(60nm)石墨烯禁带被打开，开关比显著提升。现阶段制备石墨烯纳米带一般采用电子束曝光(EBL)定义图形，但成本高可制备面积小，而光刻技术可达到大面积图形化目的却难以达到纳米级的精度，其他化学制备法也无法精确定义石墨烯纳米带形貌尺寸。基于此，本专利技术利用本专利技术人最早提出的一种平面固液固(IPSLS)生长形貌可调控的纳米线方法，并以此纳米线为掩模刻蚀可得到大面积纳米级形貌可编程的石墨烯纳米带及石墨烯图形：其中纳米线的制备采用非晶硅作为前驱体，由低熔点金属铟、锡纳米颗粒吸收非晶硅而生长出晶硅纳米线结构。同时，基于此方法，可利用平面衬底上定义的简单的单边台阶作为引导，金属液滴在台阶边缘覆盖的非晶硅吸引下，顺延台阶边缘运动，从而将纳米线生长在台阶边缘，实现平面纳米线的定位、定形生长。通过简单的转移技术，将生长好的特定形貌的纳米线转移至石墨烯衬底，经过反应等离子体刻蚀，即可形成相应图形形貌的石墨烯纳米带，实现了大面积石墨烯纳米带阵列制备，基于此可制备相关逻辑器件或柔性可拉伸电子器件。
技术实现思路
针对上述问题：本专利技术提出了一种基于形貌可编程纳米线作为掩模刻蚀石墨烯实现大面积石墨烯纳米带阵列制备的方法。基于此方法，不需要引入昂贵的超高精度光刻技术(如电子束曝光刻蚀EBL)，既能在现有大面积衬底上，在指定的位置和方向，可靠地制备任意形貌的石墨烯纳米带。基于纳米带的圆柱体形貌，利用等离子刻蚀的内切刻蚀，可定义石墨烯纳米带宽度远小于作为模板的纳米线宽度，使用不同的刻蚀气体，该方法适用于图形化定义任意薄膜材料。利用简单的光刻技术便实现了大面积、纳米级石墨烯阵列的制备，在薄膜材料图形化定义方面兼具电子束曝光纳米级精度与紫外光刻技术大面积定义的优势，制备的石墨烯纳米带可用作柔性电子器件导线，逻辑器件等。为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法，其特征是，步骤如下：1)利用光刻、电子束直写或掩模板技术在硅/(或)二氧化硅衬底上定义所需的平面图案，即确定台阶引导沟道位置，利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀或者反应离子体刻蚀(RIE)技术刻蚀一定深度(90nm左右，尤其是60-150nm)形成台阶引导沟道；2)在台阶沟道的一端，利用光刻、蒸发或者溅射等工艺金属淀积工艺，制备金属(如铟、锡等)催化层，作为纳米线的生长起点位置；在还原性气体(氢气等)等离子体作用下，在高于金属熔点的温度进行处理，使覆盖在侧壁坡面引导沟道上的催化金属层转变成为分离的金属纳米颗粒(引导沟道外的光刻催化金属层去除)；3)将温度降低到金属催化颗粒熔点以下，整个结构表面覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；4)将温度提高到适当温度以上，以使得纳米金属颗粒重新融化，并开始在前端吸收非晶层前驱体，而在后端生长淀积出晶态的纳米线结构；5)获得纳米线阵列后，利用胶质材料(如PMMA、PDMS等)转移技术可转移纳米线至CVD或机械剥离的石墨烯衬底或石墨烯薄膜器件或其它任意薄膜材料；6)利用纳米线为模板，反应离子体刻蚀技术(RIE)刻蚀形成大面积石墨烯纳米带阵列，或任意薄膜材料纳米带阵列；7)在薄膜材料图形化定义方面兼具电子束曝光(EBL)纳米级精度与紫外光刻技术大面积定义的优势。在硅/二氧化硅衬底上，利用光刻、电子束直写或掩模板技术定义所需的平面图案，即台阶引导沟道位置，再用ICP或者RIE刻蚀方法刻蚀一定深度形成沟道，刻蚀可使用C4F8、CF4、SF6(或其混合气体)等具有不同陡直特性和表面钝化特性的反应气体进行刻蚀；为了便于纳米线的转移，刻蚀沟道深度小于生长纳米线直径的三分之二，沟道的具有倾斜坡度为佳，根据不同的反应气体配比和交替工艺，可以获得平直陡面或倾斜坡面。在引导坡面台阶的一端，通过光刻、电子束刻蚀或者掩模板技术，定义图案并通过热蒸发，CVD，PECVD或者各种PVD技术制备一层厚度约10-30nm的金属催化层，包括铟、锡、镓、铋、金、铜、镍、钛、银、铅以及其合金等。然后，在高于金属熔点的温度，利用还原性气体氛围(例如在PECVD中的氢气或氨气等离子体在200～500℃之间)处理金属催化层，使之转变成为分离的纳米颗粒，并通过控制其处理时间、温度(或对于PECVD系统中的等离子体功率和气压等)，将坡面上的金属颗粒的直径控制在100～200nm范围内。在PECVD系统中，处理功率密度为1mW/cm2～10W/cm2之间，气压在1Pa～100Torr之间。在制备好的横向纳米线阵列上直接旋涂PMMA、PDMS或PVC等胶质试剂，或直接覆盖固化后的PDMS、PVC或PVA等胶质材料，可将纳米线转移至胶质材料上。旋涂法需自然晾干或120-150度烘烤5-15min后，利用4％浓度的氢氟酸溶液选择性刻蚀中间的二氧化硅层，胶质膜状材料将连带纳米线悬浮于HF溶液表面，覆盖法可直接利用胶质材料本身的粘性，将纳米线直接粘起完成转移。携带纳米线的胶质材料直接覆盖在化学气相生长(CVD)或机械剥离的石墨烯衬底，或其他任意薄膜材料或器件上，覆盖后通过简单加热(根据不同胶质材料熔点，加热温度为80-150度)，使固化的胶体溶解，纳米线贴紧薄膜材料，再通过丙酮、乙酸等溶液湿法去除残胶，或ICP、RIE或紫外臭氧机(UVO)刻蚀干法去除胶体材料。利用转移后的纳米线为模板，ICP或RIE刻蚀形成大面积石墨烯纳米带阵列，或任意薄膜材料纳米带阵列。利用ICP或RIE干法刻蚀可一步实现去残胶和刻蚀石墨烯。携带纳米线的胶质材料转移至石墨烯薄膜后，通过简单加热溶解，使胶体在衬底上更平整，利用ICP或RIE刻蚀技术通入氧气或氩气进行刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法，其特征是，步骤如下：1）利用光刻、电子束直写或掩模板技术在硅/二氧化硅衬底上定义所需的平面图案，即确定台阶引导沟道位置，利用电感耦合等离子体ICP刻蚀或者反应离子体刻蚀RIE技术刻蚀一定深度有台阶的引导沟道；2）在台阶沟道的一端，利用光刻、蒸发或者溅射工艺金属淀积工艺，制备金属催化层，作为纳米线的生长起点位置；在还原性气体等离子体作用下，在高于金属熔点的温度进行处理，使覆盖在侧壁坡面引导沟道上的催化金属层转变成为分离的金属纳米颗粒；3）将温度降低到金属催化颗粒熔点以下，整个结构表面覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；4）将温度提高到适当温度以上，以使得纳米金属颗粒重新融化，并开始在前端吸收非晶层前驱体，而在后端生长淀积出晶态的纳米线结构；5）获得纳米线阵列后，利用胶质材料转移技术转移纳米线至石墨烯衬底或石墨烯薄膜器件或其它任意薄膜材料；6）利用纳米线为模板，反应离子体刻蚀技术RIE刻蚀形成大面积石墨烯纳米带阵列，或任意薄膜材料纳米带阵列。

【技术特征摘要】
1.一种可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法，其特征是，步骤如下：1）利用光刻、电子束直写或掩模板技术在硅/二氧化硅衬底上定义所需的平面图案，即确定台阶引导沟道位置，利用电感耦合等离子体ICP刻蚀或者反应离子体刻蚀RIE技术刻蚀一定深度有台阶的引导沟道；2）在台阶沟道的一端，利用光刻、蒸发或者溅射工艺金属淀积工艺，制备金属催化层，作为纳米线的生长起点位置；在还原性气体等离子体作用下，在高于金属熔点的温度进行处理，使覆盖在侧壁坡面引导沟道上的催化金属层转变成为分离的金属纳米颗粒；3）将温度降低到金属催化颗粒熔点以下，整个结构表面覆盖与所需生长纳米线相应的非晶半导体前驱体薄膜层；4）将温度提高到适当温度以上，以使得纳米金属颗粒重新融化，并开始在前端吸收非晶层前驱体，而在后端生长淀积出晶态的纳米线结构；5）获得纳米线阵列后，利用胶质材料转移技术转移纳米线至石墨烯衬底或石墨烯薄膜器件或其它任意薄膜材料；6）利用纳米线为模板，反应离子体刻蚀技术RIE刻蚀形成大面积石墨烯纳米带阵列，或任意薄膜材料纳米带阵列。2.根据权利要求1所述的基于可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法，其特征是：在硅/二氧化硅衬底上，利用光刻、电子束直写或掩模板技术定义所需的平面图案，即台阶引导沟道位置，再用ICP或者RIE刻蚀方法刻蚀一定深度形成沟道，刻蚀的反应气体使用C4F8、CF4、SF6或其混合气体，具有不同陡直特性和表面钝化特性的反应气体进行刻蚀；为了便于纳米线的转移，刻蚀沟道深度小于生长纳米线直径的三分之二，沟道的具有倾斜坡度为佳，根据不同的反应气体配比和交替工艺，能获得平直陡面或倾斜坡面。3.根据权利要求1或2所述的基于可编程纳米线为模板实现大面积石墨烯纳米带阵列的制备方法，其特征是：在引导坡面台阶的一端，通过光刻、电子束刻蚀或者掩模板技术，定义图案并通过热蒸发，CVD，PECVD或者各种PVD技术制备一层厚度约10-30nm的金属催化层，包括铟、锡、镓、铋、金、铜、镍、钛、银、铅以及其合金；然后，在高于金...

【专利技术属性】
技术研发人员：余林蔚，刘川，马海光，王军转，王肖沐，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32