一种无边缘凸起的金属盖石墨岛及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种金属盖石墨岛及其制备方法，所述金属盖石墨岛包括岛状结构的石墨和覆盖于其上的金属盖层，所述金属盖层表面平整，且无边缘凸起，所述金属盖石墨岛可自回复，且具有微米尺度的大尺寸超滑面，有利于将超滑技术应用于微米尺度电学器件中。所述制备方法采用两层胶制备工艺，所获得的金属盖石墨岛表面平整，无边缘凸起，显著地提升了微米尺度金属盖石墨岛的自回复率，提高了获得超滑面的成功率，有效地降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种无边缘凸起的金属盖石墨岛及其制备方法
本专利技术涉及结构超滑领域，尤其涉及一种无边缘凸起的金属盖石墨岛及其制备方法。
技术介绍
摩擦及其引发的磨损无时无刻不在影响着人类的生活，据统计，全球约有1/3的一次性能源浪费在摩擦过程中，约80％的机械零部件失效由摩擦磨损所造成。早在二十世纪九十年代初，日本科学家M.Hirano(平野元久)等(HiranoM,ShinjoK.Atomisticlockingandfriction[J].PhysicalReviewB,1990,41(17):11837-11851)根据纳米摩擦学的Frenkel-Kontorova模型，从理论上预测了两个晶面在非公度接触时静摩擦力有可能为零(或几乎为零)，并把这一现象命名为超滑。超滑在降低能源消耗，延长机械系统寿命等方面有着巨大的应用前景，因而引起众多科研工作者的关注与研究。然而，自超滑的概念提出之后，在相当长的一段时间里，实验上所能够实现的超滑仅在纳米尺寸(DienwiebelM,VerhoevenGS,PradeepN,etal.Superlubricityofgraphite[J].PhysicalReviewLetters,2004,92(12):126101)。纳米尺度的超滑接触面远远不能满足实际应用的需要，如何实现更大尺度的超滑表面，比如微米以上尺度成为超滑能否走向应用的关键所在。直到2012年，清华大学郑泉水团队(LiuZ,YangJ,GreyF,etal.Observationofmicroscalesuperlubricityingraphite[J].PhysicalReviewLetters,2012,108(20):205503)在国际上首次观察到微米尺度超滑现象，实现了超滑面向应用的重大突破。利用高定向热解石墨(HOPG)制备了带有SiO2盖层的石墨岛，SiO2盖层质硬，可以起到保护上层石墨的作用。通过微纳机械手控制钨针尖从SiO2上表面推动石墨岛，由于石墨的层状结构，石墨岛会从中间某层发生滑动。在抬高针尖释放上层石墨片时，由于范德华作用，有些石墨片会发生快速的自回复现象，即上层石墨片快速回复到与下层石墨片重合的初始位置。这些发生自回复现象的石墨岛即具有超滑解理面，简称超滑面。上述自回复现象以一定的概率发生，其发生的概率通过自回复率(即产生自回复现象的石墨岛的数量除以全部进行推动实验的石墨岛的数量)来表征。实验发现，石墨岛的尺寸越小，自回复率越大，尺寸越大，自回复率越小。电学领域是微米尺度超滑面的重要应用领域之一。然而由于SiO2是绝缘材料，不能导电，这使得带SiO2盖层的石墨岛在电学领域的应用受到一定的限制。人们期望获得带有金属盖层的石墨岛，因为金属盖层一方面可以保护上层石墨片，另一方面还可以引入各种电学效应，这将有利于将微米尺度的结构超滑技术应用于微米级电学器件领域。目前，用于制备带金属盖层的石墨岛的常规工艺包括以下步骤：步骤1)，提供ZYB级高定向热解石墨，采用机械剥离的方法获得新的石墨表面；步骤2)，使用匀胶机在步骤1)所获得的石墨表面上平铺一层电子束光刻胶，然后利用光刻工艺在电子束光刻胶中形成对应于石墨岛的图形；步骤3)，沉积金属盖层；步骤4)，利用lift-off工艺去除石墨岛以外区域的电子束光刻胶，形成图案化的金属盖层；步骤5)，采用图案化金属盖层作为掩模，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀石墨层，从而获得带金属盖层的石墨岛。采用上述常规工艺所制备的金属盖石墨岛，往往不能获得令人满意的自回复率。随着金属盖石墨岛尺寸的不断变大，其自回复率低的问题显得更加明显。甚至在一定的尺寸下，所制备的金属盖石墨岛无法获得超滑面。自回复率低则获得超滑面的成功率低，在将超滑技术付诸于实际应用时，这意味着制备成本将会很高，采用上述常规工艺所制备的金属盖石墨岛不足以满足人们实际应用的需要。因此，人们迫切地需要获得具有较大尺寸超滑面的金属盖石墨岛以及能够获得较高自回复率的金属盖石墨岛的制备方法，以推动超滑技术在微米器件电学领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种金属盖石墨岛，能够获得较大尺寸的超滑面。本专利技术的目的还在于提供所述金属盖石墨岛的制备方法，能够提高金属盖石墨岛的自回复率，有效地降低成本。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：一种金属盖石墨岛，包括岛状结构的石墨和覆盖于所述岛状结构的石墨表面上的金属盖层，其特征在于：所述金属盖石墨岛具有超滑面，在外力作用下，上层石墨片相对于下层石墨片沿所述超滑面发生滑动，在去除所述外力作用下，上层石墨片自回复至初始状态；所述金属盖层表面平整，且无边缘凸起。优选的，金属盖石墨岛的形状呈圆形或方形，其直径或边长为3um-30um。进一步优选的，其直径或边长为10um-30um。优选的，石墨岛的高度为500nm-5um。优选的，所述金属盖层包括金属连接层和位于所述金属连接层之上的金属接触层，所述金属盖层及金属接触层均为常见金属材料，所述金属连接层优选金属Ti或Cr，所述金属接触层优选金属Au。其中，所述金属连接层的厚度为25-50nm，所述金属接触层的厚度为100-200um。优选的，所述金属盖层的表面粗糙度不超过20nm，进一步优选的，所述金属盖层的表面粗糙度为0.5-10nm。一种金属盖石墨岛的制备方法，用于制造所述金属盖石墨岛，其特征在于：包括以下具体步骤：步骤1)，提供ZYB级高定向热解石墨，采用机械剥离的方法获得新的石墨表面；步骤2)，使用匀胶机在步骤1)所获得的石墨表面上平铺一层剥离光刻胶，然后再在其上平铺一层电子束光刻胶；步骤3)，利用光刻工艺在电子束光刻胶中形成对应于石墨岛的图形，然后清洗去除位于石墨岛上方的剥离光刻胶；步骤4)，在步骤3)所获得的结构的整个表面上形成金属盖层；步骤5)，利用lift-off工艺去除石墨岛以外区域的剥离光刻胶、电子束光刻胶及金属，形成图案化的金属盖层；步骤6)，采用图案化金属盖层作为掩模，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀石墨层，从而获得带金属盖层的石墨岛。优选的，在所述步骤3)中采用丙酮进行清洗。优选的，所述剥离光刻胶为LOR型光刻胶，其厚度为200-300nm，所述电子束光刻胶为ZEP520型光刻胶，其厚度为400-500nm。优选的，在步骤4)中形成金属盖层具体包括：先蒸镀形成一层金属连接层，再蒸镀形成一层金属接触层，所述金属连接层采用金属Ti或Cr形成，其厚度为25-50nm；所述金属接触层采用金属Au形成，其厚度为100-200um。优选的，在步骤3)和步骤4)之间还包括采用反应离子刻蚀工艺去除石墨岛上方的残余胶，进一步优选的，刻蚀气体为氧等离子体，刻蚀时间为3s。优选的，利用该方法所制备的金属盖石墨岛的自回复率不低于70％，进一步优选的，自回复率不低于80％。本专利技术具有如下技术效果：本专利技术的金属盖石墨岛上表面及侧面均无边缘凸起，能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属盖石墨岛，包括岛状结构的石墨和覆盖于所述岛状结构的石墨表面的金属盖层，其特征在于：/n所述金属盖石墨岛具有超滑面，在外力作用下，上层石墨片相对于下层石墨片沿所述超滑面发生滑动，在去除所述外力作用下，上层石墨片自回复至初始状态；/n所述金属盖层表面平整，且无边缘凸起。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属盖石墨岛，包括岛状结构的石墨和覆盖于所述岛状结构的石墨表面的金属盖层，其特征在于：
所述金属盖石墨岛具有超滑面，在外力作用下，上层石墨片相对于下层石墨片沿所述超滑面发生滑动，在去除所述外力作用下，上层石墨片自回复至初始状态；
所述金属盖层表面平整，且无边缘凸起。


2.根据权利要求1所述的金属盖石墨岛，其中，岛的形状是圆形或方形，其直径或边长为3um-30um，优选的，直径或边长为10-30um；金属盖石墨岛的高度为500nm-5um。


3.根据权利要求1-2任一项所述的金属盖石墨岛，其中，所述金属盖层包括金属连接层和位于所述金属连接层之上的金属接触层，所述金属连接层及金属接触层均为常见金属材料，所述金属连接层优选金属Ti或Cr，所述金属接触层优选金属Au；所述金属连接层的厚度为20-50nm，所述金属接触层的厚度为100-200um。


4.根据权利要求3所述的金属盖石墨岛，其中所述金属盖层表面粗糙度不超过20nm，优选的，金属盖层表面粗糙度为0.5-10nm。


5.一种金属盖石墨岛的制备方法，用于制造如权利要求1-4任一项所述的金属盖石墨岛，其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤1)，提供高定向热解石墨，采用机械剥离的方法获得新的石墨表面；
步骤2)，使用匀胶机在步骤1)所获得的石墨表面上平铺一层剥离光刻胶，然后再在其上平铺一层电子束光刻胶；
步骤3)，利用光刻工...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨德智，张清卿，
申请(专利权)人：北京清正泰科技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11