一种基于二维材料制备三维结构的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二维材料制备三维结构的方法。该方法先选取洁净的衬底，并在衬底上制备二维材料；利用光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀图形；对衬底上的二维材料进行固定；利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行拉伸或者压缩；将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构的半成品；对半成品进行定形处理，最终得到成品。本发明专利技术结合现有成熟的材料加工技术，形成各种复杂平面图形，且这些平面图形具有很好的灵活性适合用于制备不同的三维结构，成本低廉，方法简单，可大面积、大通量的制备，便于产业化，尤其适合用于制备微米尺寸的结构。

A Method of Fabricating Three-Dimensional Structure Based on Two-Dimensional Materials

The invention discloses a method for preparing three-dimensional structure based on two-dimensional materials. This method first selects clean substrates and prepares two-dimensional materials on the substrates; uses photolithography technology to etch patterns on the two-dimensional materials prepared in step 1; fixes the two-dimensional materials on the substrates; uses two-dimensional material transfer method to pick up the two-dimensional materials locally, and then separates them from the substrates, stretches or compresses them; and reprocesses the treated two-dimensional materials. Fixed on the substrate, the pick-up arm releases the treated two-dimensional material, which is the semi-finished product of the three-dimensional structure of the two-dimensional material. The semi-finished product is shaped and finally the finished product is obtained. The invention combines the existing mature material processing technology to form various complex planar graphs, and these planar graphs have good flexibility and are suitable for preparing different three-dimensional structures, low cost, simple method, large area, large flux preparation, easy industrialization, and especially suitable for preparing micron size structures.

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维材料制备三维结构的方法
本专利技术属于先进材料和人工微结构制造领域，具体涉及一种基于二维材料制备三维结构的方法。
技术介绍
二维材料指一类具有原子尺寸厚度，但是平面内尺寸可达微米的材料。典型的一种二维材料是石墨烯，单层的石墨烯材料只有单个碳原子的厚度，但其平面内可达数百微米。这种材料由于其特殊的性质，可以应用于先进半导体器件，功能材料等各个领域。二维材料的特殊的层状结构决定了其具有一定的维度不稳定性。类似于纸张，其容易在厚度方向进行弯折，从而形成不同的结构和形貌。二维材料类似于纸张，也可以进行剪纸和折纸的操作，从而形成不同的结构。这一过程也是材料从二维转变成三维的过程。在此过程中，由于材料维度的改变，会导致材料力学、热学、电学、光学等各种性质的剧烈变化。如果能够将其折叠过程进行可控的制备，则可以进行对材料性质的控制，从而根据需要来设计材料结构和性能。虽然如此，由于其折叠的不稳定性，目前还没有非常有效的方法来制备二维材料折叠形成的三维结构。为此，寻找有效、可控的制备二维材料的三维折纸结构是当前学术界研讨的热点问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于二维材料制备三维结构的方法，该方法首先利用“剪纸”的思路在二维材料上利用光刻的方法制备出图形，使二维材料具有镂空结构，最后利用“折纸”的思想对这一材料进行拉升或者压缩，从而获得所需的三维结构。为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术方案为：一种基于二维材料制备三维结构的方法，包括以下步骤：步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上制备二维材料；步骤2，利用光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀设计的图形；步骤3，根据刻蚀图形的不同，选择合适的固定位置和操作位置，使用光刻工艺，淀积金属材料；步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行拉伸平移或压缩平移后弯折，使之变形，再使用机械挤压或热处理，使发生形变的部分定形；步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。作为改进的是，步骤1中二维材料为石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物或碲化物。进一步改进的是，所述过渡金属硫族化合物为二硫化钼、二硫化钨或二硒化钼。作为改进的是，步骤1中在衬底上制备二维材料的方法为化学气相沉积法或机械剥离法。作为改进的是，步骤2中所述光刻技术为电子束光刻，半导体光刻技术或离子束直接刻蚀技术。作为改进的是，步骤3中固定方法为溅射、蒸发或直写式材料淀积。对二维材料进行局部处理，如步骤3的“局部”是指对材料的部分进行操作。为了防止二维材料和衬底之间因为相关操作发生相对移动，就先将二维材料部分固定，然后对材料的其他部分进行操作，包括拉伸，压缩，折叠等。二维材料类似于普通纸，是二维平面，将它制备在衬底上，衬底主要是一个支撑作用。然后用光刻技术在二维材料平面上刻出图形，然后将其一部分固定，其他部分一拉伸或者压缩等操作，三维物体就出来了，再把得到的三维结构固定下来，因为二维材料具备一定的杨氏模量，不作处理的话，应力等因素会破坏三维结构。通过上述一系列处理后得到的三维结构具备新的物理特性。有益效果：与现有技术相比，本专利技术一种基于二维材料制备三维结构的方法具有如下优势：1、本专利技术结合现有成熟的材料加工技术，形成各种复杂平面图形，且这些平面图形具有很好的灵活性适合用于制备不同的三维结构；2、本专利技术结合三维模拟技术，对特定二维刻蚀的结构进行设计，然后进行三维结构的成型，所得三维结构精确，可控；3、本专利技术成本低廉，方法简单，可大面积、大通量的制备，便于产业化；4、本专利技术不限定二维材料的性质，取材广泛，应用具有通用性和普适性；5、本专利技术方法尤其适合用于制备微米尺寸的结构，获得相应材料的新结构，从而得到新性能。附图说明图1为本专利技术一种基于二维材料制备三维结构的方法的流程图，其中，1-衬底，2-二维材料，4-黏附材料，5-拾取臂，6-热释放胶；图2为实施例1中步骤2刻蚀的图形的俯视图，其中3-刻蚀后的平面图形。具体实施方式下面结合具体实例对本专利技术的方法进行详细描述和说明。其内容是对本专利技术的解释而非限定本专利技术的保护范围。实施例1如图1所示的流程图，一种基于二维材料制备三维结构的方法，包括以下步骤：步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上通过化学气相沉积法制备二维材料，其中二维材料为石墨烯；步骤2，利用半导体光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀图形；步骤3，对衬底上的二维材料利用溅射法进行固定；步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行向右侧拉伸；步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。其中，步骤4中利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取时，热释放胶可在二维材料的任意位置进行黏附，以便获得不同的效果，所述的任意位置可为二维材料的左边缘、右边缘、上边缘、下边缘或其组合。被黏附的二维材料部分可拉伸、压缩、切向或者这些方向的组合，以获得不同的三维结构。步骤5中将处理后的二维材料重新固定在衬底上，固定的位置为二维材料处理成三维结构的位置。实施例2一种基于二维材料制备三维结构的方法，包括以下步骤：步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上通过化学气相沉积法制备二维材料，其中二维材料为二硫化钼；步骤2，利用电子束光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀图形；步骤3，对衬底上的二维材料利用溅射法进行固定；步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行向右侧拉伸；步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。实施例3一种基于二维材料制备三维结构的方法，包括以下步骤：步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上通过化学气相沉积法制备二维材料，其中二维材料为六方氮化硼；步骤2，利用离子束光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀图形；步骤3，对衬底上的二维材料利用溅射法进行固定；步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行向右侧拉伸；步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。本专利技术方法操作简单不限定二维材料的种类，制备的三维结构准确，可靠，适用领域广。以上所述的具体实施方式，对本专利技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本专利技术的具体实施方式而已，并不用于限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维材料制备三维结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上制备二维材料；步骤2，利用光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀设计的图形；步骤3，根据刻蚀图案的不同，选择合适的固定位置和操作位置，使用光刻工艺，淀积金属材料；步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行拉伸平移或压缩平移后弯折，使之变形，再使用机械挤压或热处理，使发生形变的部分定形；步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维材料制备三维结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上制备二维材料；步骤2，利用光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀设计的图形；步骤3，根据刻蚀图案的不同，选择合适的固定位置和操作位置，使用光刻工艺，淀积金属材料；步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行拉伸平移或压缩平移后弯折，使之变形，再使用机械挤压或热处理，使发生形变的部分定形；步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。2.根据权利要求1所述的一种基于二维材料制备三维结构的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：万能，赵小康，徐康，邵志勇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32