石墨烯薄膜、制备方法及半导体器件技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯薄膜、制备方法及半导体器件，该石墨烯薄膜具有多个一面具有开口的微空腔结构，微空腔结构是由石墨烯薄膜表面的凸起结构和/或凹陷结构构成；微空腔结构的开口形成于凸起结构的底部和/或凹陷结构的顶部。本发明专利技术利用具有微空腔结构的石墨烯薄膜能够增加石墨烯薄膜的变形量以及比表面积，使用石墨烯薄膜应用于压电、光伏、光催化、压力探测等领域应用时，提高器件的发电效率、探测灵敏度和精度等。

Graphene film, preparation method and semiconductor device

The present invention provides a method for preparing graphene film, and semiconductor device, the graphene film having a plurality of side opening with a micro cavity structure, micro cavity structure is composed of a convex surface structure of graphene films and / or hollow structure; the top micro cavity structure opening is formed in the bottom and convex structure the structure and / or depression. The invention utilizes the deformation of graphene films with micro cavity structure can increase the graphene film and the surface area, the use of graphene film applied in the field of piezoelectric, photovoltaic, photocatalysis, pressure detection, improve the efficiency of power generation devices, the sensitivity and accuracy of detection.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯薄膜、制备方法及半导体器件
本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种石墨烯薄膜及其制备方法，以及具有该石墨烯薄膜的半导体器件。
技术介绍
随着半导体技术的发展和技术节点的不断降低，传统的硅材料已经表现出诸多限制和缺陷，由于石墨烯是目前世界上最薄、强度最高、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，所以石墨烯成为理想的硅的替代品。然而，传统的石墨烯薄膜无论从宏观还是微观均采用平坦表面，包括单原子层石墨烯是微观意上的平坦表面。例如，应用于压电领域中，平坦的石墨烯薄膜在受到外界施加的力作用时产生的变形量很小，而且，在制备时，需要额外在衬底中制备出足够尺寸的空腔，这严重制约了石墨烯薄膜的应用便捷性和广泛性。同时，平坦的石墨烯薄膜的比表面积不是很理想，特别是作为电池的电极、传感器以及光催化器件等更希望具有较大的比表面积和载流子捕获能力。
技术实现思路
为了克服以上问题，本专利技术旨在提供一种石墨烯薄膜，能够产生较多的形变以及具有更好的比表面积。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜具有多个一面具有开口的微空腔结构，微空腔结构是由石墨烯薄膜表面的凸起结构和/或凹陷结构构成；微空腔结构的开口形成于凸起结构的底部和/或凹陷结构的顶部。优选地，所述石墨烯薄膜具有主平面，所述凸起结构的开口所在平面和/或所述凹陷结构的开口所在平面位于所述石墨烯薄膜的主平面所在平面；或者所述石墨烯薄膜具有主平面，所述凸起结构的开口所在平面和/或所述凹陷结构的开口所在平面与所述石墨烯薄膜的主平面所在平面不相同。优选地，所述微空腔结构呈阵列排布，相邻行的微空腔结构相间设置。优选地，每行中凸起结构和凹陷结构相间设置，且相邻行的凸起结构之间相间设置，相邻行的凹陷结构之间相间设置。优选地，每行中，凸起结构在所述主平面的投影轮廓与所述凹陷结构在所述主平面的投影轮廓相切。优选地，所述凸起结构与所述凹陷结构为全等图形关系。优选地，所述微空腔结构的开口在所述主平面的投影轮廓被所述微空腔结构的其它区域在所述主平面的投影轮廓中的最大轮廓所包围。优选地，所述开口在主平面的投影轮廓的尺寸和所述最大轮廓的尺寸为纳米级，所述开口的投影轮廓的尺寸为所述最大轮廓的尺寸的1/5～1。优选地，所述微空腔结构的高度为纳米级，所述微空腔结构的高度为所述开口的尺寸的1/4～1。优选地，所述微空腔结构的开口在所述主平面的投影轮廓包围所述微空腔结构的其它区域在所述主平面的投影轮廓。优选地，所述开口的尺寸为纳米级，所述微空腔结构的高度为纳米级，所述微空腔结构的高度为所述开口的尺寸的1/4～1。优选地，所述凸起结构和/或所述凹陷结构在所述主平面的投影轮廓为圆形或矩形，所述开口在所述主平面的投影轮廓为圆形或矩形。优选地，所述微空腔结构为被开口所截的球体。优选地，所述凸起结构包括上层结构和与之相连的下层结构，所述上层结构具有平坦表面或弧形表面，所述下层结构为倾斜侧壁，倾斜侧壁由下向上逐渐向外或向内倾斜；凹陷结构为所述凸起结构的倒置。优选地，仅在所述微空腔结构内壁和/或整个石墨烯薄膜表面形成有金属化合物半导体纳米薄膜。优选地，所述半导体纳米薄膜为钛合金纳米薄膜和/或锌合金纳米薄膜。优选地，所述钛合金纳米薄膜的材料为TiOx，x为正数；所述锌合金纳米薄膜为ZnO纳米薄膜。优选地，所述半导体纳米薄膜由金属化合物的纳米线阵列构成。优选地，所述半导体纳米薄膜的厚度与所述开口的轮廓尺寸的比例不大于1:3。优选地，所述石墨烯薄膜为单原子层厚度的石墨烯薄膜。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种上述的石墨烯薄膜的制备方法，包括：步骤01：采用光刻和刻蚀工艺，制备出具有所述凸起结构和/或所述凹陷结构的牺牲层衬底；步骤02：在所述牺牲层衬底表面沉积一层金属催化剂纳米薄膜；步骤03：采用化学气相沉积工艺，在金属催化剂纳米薄膜表面包括所述凸起结构表面和/或所述凹陷结构内侧壁表面生长出石墨烯薄膜；步骤04：采用释放工艺，去除所述牺牲层衬底；步骤05：采用分离技术，将金属催化剂纳米薄膜与石墨烯薄膜分离开来；在所述石墨烯薄膜中形成所述的具有多个一面具有开口的微空腔结构。优选地，所述步骤01具体包括：步骤011：制备光刻版图；其中，微空腔结构的图形呈阵列排布，相邻行的微空腔结构的图形相间设置，且其中一行的所述微空腔结构图形的一个边缘与其相间设置的另一行的微空腔结构图形的一个边缘位于同一直线上；步骤012：采用步骤011的光刻版图，通过光刻和干法刻蚀工艺，在牺牲层中刻蚀出凸起结构和/或凹陷结构。优选地，所述牺牲层的材料为有机材料或无机材料。优选地，步骤05中，所述分离技术包括：首先，通过施加光照、湿度、温度和/或酸碱度使石墨烯薄膜发生拉伸变形，并且此时采用静电吸附技术或机械剥离将金属纳米薄膜与石墨烯薄膜分离开来；然后，停止施加光照、湿度、温度和/或酸碱度使石墨烯薄膜发生收缩回复原状。优选地，所述光照为红外激光照射。优选地，所述金属催化剂纳米薄膜的材料为铜或镍。优选地，在步骤05之后，还包括：在所述石墨烯薄膜表面或者仅在所述微空腔结构内壁制备金属化合物半导体纳米薄膜。优选地，制备金属化合物半导体纳米薄膜为仅在所述微空腔结构内壁制备金属化合物半导体纳米薄膜，具体包括：制备光刻版图形；光刻版图形包括石墨烯薄膜的凸起结构光刻版和/或凹陷结构光刻版；在凸起结构的微空腔结构内壁制备金属化合物半导体纳米薄膜，包括：将石墨烯薄膜倒置转移至一衬底上；在倒置的石墨烯薄膜上形成一层光刻胶；利用凸起结构光刻版刻蚀光刻胶，在光刻胶中形成凸起结构图案，从而将倒置的凸起结构暴露出来；然后，采用溶液法在倒置的凸起结构的微空腔结构内壁生长出金属化合物半导体纳米薄膜；在凹陷结构的微空腔结构内壁制备金属化合物半导体纳米薄膜，包括：将石墨烯薄膜转移至一衬底上；在石墨烯薄膜上形成一层光刻胶；利用凹陷结构光刻版刻蚀光刻胶，在光刻胶中形成凹陷结构图案，从而将凹陷结构暴露出来；然后，采用溶液法在凹陷结构的微空腔结构内壁生长出金属化合物半导体纳米薄膜。优选地，在所述步骤03之后且在所述步骤04之前，还包括：在所述石墨烯薄膜上表面制备金属化合物半导体纳米薄膜。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种探测器，具有上述任意一项所述的石墨烯薄膜作为探测部件。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种压力发电器件，其具有上述任意一项所述的石墨烯薄膜作为压电转换部件；当外界向石墨烯薄膜的凸起结构和/或凹陷结构施加作用力时，多个所述微空腔结构发生形变，从而产生电能。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种光催化器件，其具有上述任意一项所述的石墨烯薄膜作为光催化部件。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种太阳能电池，具有上述任意一项所述的石墨烯薄膜作为电极或光电转换部件。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种LED器件，其具有上述任意一项所述的石墨烯薄膜作为电致发光层或电极层。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种储能电池，其具有上述任意一项所述的石墨烯薄膜作为电极层。本专利技术的石墨烯薄膜，利用石墨烯薄膜具有多个一面具有开口的微空腔结构，首先，由于每个微空腔结构均可以产生变形，多个微空腔结构的变形输出使得石墨烯薄膜的变形总量增多，当该石墨烯薄膜应用于压力探测器时，可以提高压力探测器的灵敏度和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯薄膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜具有多个一面具有开口的微空腔结构，微空腔结构是由石墨烯薄膜表面的凸起结构和/或凹陷结构构成；微空腔结构的开口形成于凸起结构的底部和/或凹陷结构的顶部。

【技术特征摘要】
2017.02.17 CN 20171008566461.一种石墨烯薄膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜具有多个一面具有开口的微空腔结构，微空腔结构是由石墨烯薄膜表面的凸起结构和/或凹陷结构构成；微空腔结构的开口形成于凸起结构的底部和/或凹陷结构的顶部。2.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜具有主平面，所述凸起结构的开口所在平面和/或所述凹陷结构的开口所在平面位于所述石墨烯薄膜的主平面所在平面；或者所述石墨烯薄膜具有主平面，所述凸起结构的开口所在平面和/或所述凹陷结构的开口所在平面与所述石墨烯薄膜的主平面所在平面不相同。3.根据权利要求2所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述微空腔结构呈阵列排布，相邻行的微空腔结构相间设置。4.根据权利要求3所述的石墨烯薄膜，其特征在于，每行中凸起结构和凹陷结构相间设置，且相邻行的凸起结构之间相间设置，相邻行的凹陷结构之间相间设置。5.根据权利要求4所述的石墨烯薄膜，其特征在于，每行中，凸起结构在所述主平面的投影轮廓与所述凹陷结构在所述主平面的投影轮廓相切。6.根据权利要求4所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述凸起结构与所述凹陷结构为全等图形关系。7.根据权利要求2所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述微空腔结构的开口在所述主平面的投影轮廓被所述微空腔结构的其它区域在所述主平面的投影轮廓中的最大轮廓所包围。8.根据权利要求7所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述开口在主平面的投影轮廓的尺寸和所述最大轮廓的尺寸为纳米级，所述开口的投影轮廓的尺寸为所述最大轮廓的尺寸的1/5～1。9.根据权利要求8所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述微空腔结构的高度为纳米级，所述微空腔结构的高度为所述开口的尺寸的1/4～1。10.根据权利要求2所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述微空腔结构的开口在所述主平面的投影轮廓包围所述微空腔结构的其它区域在所述主平面的投影轮廓。11.根据权利要求10所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述开口的尺寸为纳米级，所述微空腔结构的高度为纳米级，所述微空腔结构的高度为所述开口的尺寸的1/4～1。12.根据权利要求7或10所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述凸起结构和/或所述凹陷结构在所述主平面的投影轮廓为圆形或矩形，所述开口在所述主平面的投影轮廓为圆形或矩形。13.根据权利要求7或10所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述微空腔结构为被开口所截的球体。14.根据权利要求7或10所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述凸起结构包括上层结构和与之相连的下层结构，所述上层结构具有平坦表面或弧形表面，所述下层结构为倾斜侧壁，倾斜侧壁由下向上逐渐向外或向内倾斜；凹陷结构为所述凸起结构的倒置。15.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜，其特征在于，仅在所述微空腔结构内壁和/或整个石墨烯薄膜表面形成有金属化合物半导体纳米薄膜。16.根据权利要求15所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述半导体纳米薄膜为钛合金纳米薄膜和/或锌合金纳米薄膜。17.根据权利要求16所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述钛合金纳米薄膜的材料为TiOx，x为正数；所述锌合金纳米薄膜为ZnO纳米薄膜。18.根据权利要求15所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述半导体纳米薄膜由金属化合物的纳米线阵列构成。19.根据权利要求15所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述半导体纳米薄膜的厚度与所述开口的轮廓尺寸的比例不大于1:3。20.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜为单原子层厚度的石墨烯薄膜。21.一种权利要求1所述的石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于，包括：步骤01：采用光刻和刻蚀工艺，制备出具有所述凸起结构和/或所述凹陷结构的牺牲层衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪际军，
申请(专利权)人：全普光电科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31