一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用，所述方法为：S1将二维材料转移至衬底上；S2：旋涂正性电子束胶，按照设计的版图利用电子束曝光系统获得二维材料的纳米结构；S3：用反应离子束刻蚀S2中的二维材料纳米结构，并去除S2中的正性电子束胶；S4：重新设计版图，旋涂正性光刻胶后利用无掩模光刻技术进行套刻，套刻结束后通过显影将S3中二维材料纳米结构之外的部分暴露出来；S5：氧等离子刻蚀S4中暴露出的二维材料，以除去二维材料纳米结构之外的部分。本发明专利技术通过电子束曝光系统和无掩模光刻系统制备了具有100～500nm的间隙的纳米结构。的纳米结构。

【技术实现步骤摘要】
一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及微纳光子学
，具体涉及了一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]太赫兹波是指处于中外和毫米波之间的一段电磁波谱，其频率为0.1～10THz，对应的波长为3000～30μm。该频段覆盖很多材料的频谱特征，其中包括半导体、生物大分子、有机体等。因此，太赫兹波在太赫兹光谱技术、太赫兹成像、安全检查、雷达、通信技术等领域有广泛的应用前景。
[0003]基于太赫兹波段的等离激元效应是拓展上述应用的一个发展方向。由于传统金属材料固有的带间电子跃迁、带内电子散射以及电子浓度高的特点，致使其等离激元损耗较高且等离激元响应被限制在可见至近红外波段。因此传统金属耦合中远红外至太赫兹波的结构往往比较大，造成难以集成的现象。寻找一种新材料是解决上述问题的关键所在。
[0004]石墨烯是Sp2轨道杂化，且其具有单原子层厚度的蜂窝状结构，具有狄利克雷零点的能带结构，在中远红外至太赫兹波段具有类似金属的性质，是研究此波段等离激元效应的首选材料之一，且大量研究表明，纳米结构的间隙越小产生的等离激元局域场越强。然而，可控制备平面型耦合中远红外乃至太赫兹波段的纳米间隙结构限制了石墨烯的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一，为此本专利技术提出了一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用，本专利技术中使用电子束曝光技术和无掩膜光刻技术相结合的方法可控制备出了一种二维材料纳米结构，该纳米结构具有耦合中远红外乃至太赫兹波段等离激元的纳米间隙结构。此外，使用该纳米结构制备的光子学器件中通过在栅极加压可以调控其费米能级，从而调控其具有等离激元的相干强度和传播长度。
[0006]本专利技术的第一方面，提供了一种耦合电磁波的二维材料纳米结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]S1：将二维材料转移至衬底上；
[0008]S2：旋涂正性电子束胶，按照设计的版图利用电子束曝光系统获得二维材料的纳米结构；
[0009]S3：用反应离子束刻蚀S2中的二维材料纳米结构，并去除S2中的正性电子束胶；
[0010]S4：重新设计版图，旋涂正性光刻胶后利用无掩模光刻技术进行套刻，套刻结束后通过显影将S3中二维材料纳米结构之外的部分暴露出来；
[0011]S5：氧等离子刻蚀S4中暴露出的二维材料，以除去维材料纳米结构之外的部分。
[0012]根据本专利技术第一方面的内容，在本专利技术的一些实施方式中，S2中电子束曝光的剂量为200～400μC/cm2。
[0013]在本专利技术的一些优选实施方式中，S2中电子束流为0.2～1nA。
[0014]在本专利技术中，电子束曝光的剂量和电子束流对本专利技术中形成的二维材料纳米结构有重要的影响，剂量过大时会引起严重的过曝，不易获得较小尺寸的结构，剂量过小时，会使得电子束无法曝透，会导致在显影的过程中出现显影不干净的现象。束流过大虽然可以加快曝光速度，但是也会造成过曝现象。若束流过小，会增加曝光时间，从而使得制备器件的价格成本增加。
[0015]光衍射极限的存在使得传统光刻的分辨率难以达到亚微米尺度，电子的波长为德布罗意波长，可以利用电子束来制备尺寸较小的结构，然而，电子束曝光存在价格昂贵、曝光速度慢的缺陷，限制了电子束的应用，尤其是其不适用于大面积曝光结构。在本专利技术中，首先使用电子束曝光系统制备出了纳米尺度的结构，然后结合了无掩膜光刻套刻技术将纳米结构之外的部分去除，既节约了成本，又提高了效率。
[0016]在本专利技术的一些优选实施方式中，S2中的版图是利用KLayout软件画出。
[0017]在本专利技术的一些优选实施方式中，S2中所述正性电子束胶的旋涂厚度为100～500nm。
[0018]在本专利技术的一些优选实施方式中，S2中所述正性电子束胶的旋涂速度为3000～5000rpm。
[0019]在本专利技术的一些优选实施方式中，S2中旋涂正性电子束胶后在160～200℃的温度下进行烘烤，以固化电子束胶。
[0020]在本专利技术的一些更优选实施方式中，所述烘烤的时间为3～4min。
[0021]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述正性电子束胶包括950PMMAA4胶、PMMAA7胶和APR胶。
[0022]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述APR胶包括ARP 6200.09。
[0023]在本专利技术的一些优选实施方式中，S2中曝光结束后将所得的结构分别在甲基异丁基酮(MIBK)溶液、异丙醇(IPA)和去离子中浸泡后将二维材料纳米结构转移至衬底上。
[0024]在本专利技术的一些更优选实施方式中，在MIBK中浸泡的时间为1～3min。
[0025]在本专利技术的一些更优选实施方式中，在IPA中浸泡的时间为0.5～2min。
[0026]在本专利技术的一些更优选实施方式中，在去离子中浸泡的时间为0.5～2min。
[0027]在本专利技术的一些优选实施方式中，S3中刻蚀的时间为8～15s，刻蚀的时间不能太长，时间过长会出现正性电子束胶被刻蚀掉或出现过刻蚀的现象。
[0028]在本专利技术的一些优选实施方式中，S3中刻蚀的氧气流量为35～45sccm。
[0029]在本专利技术的一些优选实施方式中，S3中刻蚀结束后将所得样品浸泡在丙酮中以去除样品表面的正性电子束胶。
[0030]在本专利技术的一些更优选实施方式中，所述浸泡的时间为2～12h。
[0031]在本专利技术的一些优选实施方式中，S4中的版图是根据二维材料纳米结构之外的部分进行绘制。
[0032]在本专利技术的一些优选实施方式中，S4中所述的正性光刻胶包括AZJ
‑
390PG光刻胶。
[0033]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述正性光刻胶的旋涂速度为3000～5000rpm。
[0034]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述正性光刻胶的旋涂厚度为1.5～2.5μm。
[0035]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述正性光刻胶旋涂后在100～140℃的温度下进行烘烤。
[0036]在本专利技术的一些更优选实施方式中，所述烘烤的时间为1～3min。
[0037]在本专利技术的一些优选实施方式中，S4中显影的时间为1～3min。
[0038]在本专利技术的一些优选实施方式中，显影所用的显影液为正胶显影液。
[0039]在本专利技术的一些优选实施方式中，S5中刻蚀后将样品浸泡在丙酮中以去除正性光刻胶。
[0040]在本专利技术的一些更优选实施方式中，所述浸泡的时间为为1.5～3h。
[0041]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述二维材料包括石墨烯、氧化钼、黑磷、金属氧化物。
[0042]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述二维材料是石墨烯，且石墨烯可以是单层结构的石墨烯、双层结构的石墨烯或多层结构的石墨烯。
[0043]在本专利技术的一些优选实施方式中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合电磁波的二维材料纳米结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：将二维材料转移至衬底上；S2：旋涂正性电子束胶，按照设计的版图利用电子束曝光系统获得二维材料的纳米结构；S3：用反应离子束刻蚀S2中的二维材料纳米结构，并去除S2中的正性电子束胶；S4：重新设计版图，旋涂正性光刻胶后利用无掩模光刻技术进行套刻，套刻结束后通过显影将S3中二维材料纳米结构之外的部分暴露出来；S5：氧等离子刻蚀S4中暴露出的二维材料，以除去二维材料纳米结构之外的部分；其中，S2中电子束曝光的剂量为200～400μC/cm2，电子束流的大小为0.2～1nA。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中所述正性电子束胶包括950PMMA A4胶、PMMA A7胶和APR胶。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中所述正性电子束胶的旋涂厚度为100～500nm。4.根据权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘川，张丽，陈焕君，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：