一种无损、无污染的纳米碳质薄膜的图形化方法技术

本发明专利技术涉及一种无损、无污染的纳米碳质薄膜的图形化方法，属于电子器件制备领域。该方法预先在基体材料上制备单、双层金属或金属担载陶瓷薄膜的图形，然后在该预图形化的基体上沉积纳米碳质薄膜，最后利用湿法刻蚀去除预制的单层金属图形直接剥离附着在其表面的纳米碳质薄膜，或通过底层金属的刻蚀在剥离其担载的金属或陶瓷薄膜的同时去除附着于预制图形表面的纳米碳质材料，保留与基体直接接触的薄膜形成相应的图形，从而实现了纳米碳质薄膜的图形化。由于工艺中碳质薄膜与光刻胶及等离子体无直接接触，从而避免了对所制备图形的污染和损伤。图形化的碳质薄膜可用于显示器透明电极、薄膜场效应晶体管等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子器件制备领域，具体涉及ー种无损、无污染的纳米碳质薄膜的图形化方法。本专利技术适用于制备基于纳米碳质薄膜的显示及电子器件。
技术介绍
纳米碳质材料(碳纳米管和石墨烯等)以其独特的结构和性能，备受研究者的青睐。基于纳米碳质薄膜所制备的透明电极表现出优异的透明导电特性，尤其是沉积在柔性聚合物基底上的透明电极表现出很好的抗弯折性能，有效地克服了传统氧化铟锡透明电极存在的一些问题，如铟资源短缺、柔韧性差等；此外，基于碳纳米管薄膜的场效应晶体管具有高的载流子迁移率和开关比，也使其在电子器件领域具有广阔的应用前景。在电子器件制备领域，图形化是实现纳米碳质薄膜应用的一个关键步骤。目前，薄·膜的图形化主要选用传统的光刻配合氧等离子体刻蚀エ艺。但由于纳米碳质材料的强表面吸附能力，使其在光刻过程中表面不可避免地会吸附光刻胶，并难以去除；而在随后的等离子体刻蚀中，等离子体的轰击易使纳米碳质材料产生结构损伤，从而破坏纳米碳质材料的结构。即传统的方法会给纳米碳质薄膜的图形引入光刻胶污染和结构破坏，从而导致纳米碳质薄膜图形的导电性降低，限制了其在电子器件领域中的应用。例如，利用该方法图形化的碳纳米管薄膜制备的场效应晶体管，由于电学性能的降低，产生了明显的开关延迟，从而降低了晶体管的半导体特性。因此，迫切需要开发ー种无损、无污染的纳米碳质薄膜图形化方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供。该方法制备的薄膜图形，有效地避免了光刻胶的污染及等离子体刻蚀对纳米碳质材料结构的损伤，所制备图形更好地保持了原有薄膜的电学性能。本专利技术是通过以下技术方案实现的，其步骤如下(I)预先在基体材料上制得单、双层金属或金属担载陶瓷的薄膜图形；(2)采用提拉、喷涂或薄膜转移的方法在预制图形的基体上沉积纳米碳质薄膜，其后将薄膜在50 120°C下加热处理I 5小吋，以增加薄膜与基体的结合强度，薄膜厚度为2 200nm ；(3)将沉积在单、双层金属或金属担载陶瓷薄膜图形上的纳米碳质薄膜浸泡在薄膜图形中与基体接触的金属相应的金属刻蚀液中；其中，预制单层金属薄膜的图形在刻蚀液中金属薄膜被刻蚀，同时附着于其上的纳米碳质薄膜也被去除；预制双层金属或金属担载陶瓷薄膜的图形其底层金属在刻蚀液中被刻蚀，担载在底层金属薄膜上的金属或陶瓷层不被刻蚀，而是随着底层金属的刻蚀被整体剥离，而附着于其上的纳米碳质材料也同时被去除，保留了附着于基体表面的纳米碳质材料，形成图形。所述单、双层金属或金属担载陶瓷的薄膜图形采用光刻及等离子体刻蚀，或光刻及剥离技术制得。预制单、双层金属或金属担载陶瓷时，借助超声辅助去除附着于金属或陶瓷表面的纳米碳质薄膜，超声功率为50W 600W(优选为100W 400W)，超声时间为5s IOmin (优选为IOs 5min);预制金属担载金属或陶瓷的双层的图形时,也可在无超声辅助的条件下实现剥离。所述单层金属材料为镁、铝、铁或铜可以被湿法刻蚀的金属，金属图形的厚度为所制备纳米碳质薄膜厚度的I 10倍；所述的双层金属或金属担载陶瓷薄膜中，底层金属薄膜为镁、铝或铁容易被湿法刻蚀的金属，其厚度为碳质薄膜的0. 5 5倍，担载薄膜为不易被刻蚀的铜、ニ氧化硅或氧化铝，其厚度为碳质薄膜的I 5倍。 所述纳米碳质材料包括单壁碳纳米管、少壁碳纳米管或石墨烯及氧化石墨烯。所述基体包括硅片、玻璃、聚对苯ニ甲酸こニ醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)或聚酰亚胺(PD。所述纳米碳质薄膜的制备方法包括浸溃提拉法、喷涂法、过滤转移法、干法转移法或旋涂法。所述金属刻蚀液包括酸(硝酸、盐酸、硫酸或醋酸)、强碱(氢氧化钾或氢氧化钠)或高还原电位的金属盐溶液(氯化铁)。本专利技术针对传统的光刻配合氧等离子体刻蚀的图形化方法存在的问题，采用预先在基体材料上制备单、双层金属或金属担载陶瓷薄膜图形，然后在该基体材料上沉积纳米碳质薄膜，最后利用湿法刻蚀去除预制的图形的同时去除其上附着的纳米碳质材料，从而实现对纳米碳质薄膜的图形化。由于エ艺中碳质薄膜与光刻胶及等离子体无直接接触，从而避免了对所制备图形的污染和损伤。该方法所获得图形形貌干净，无光刻胶污染，且该方法制备的碳纳米管薄膜图形可很好地保持纳米碳质材料的结构。所得的纳米碳质薄膜图形电导率保持率大于90%，图形精度小于2 u m。与现有技术相比，本专利技术具有以下显著的优点I.本专利技术提出了ー种剥离单、双层金属或金属担载陶瓷薄膜的中间层以获得纳米碳质薄膜的图形化方法，采用该方法制备的薄膜图形有效地避免了光刻胶的污染及等离子体处理对纳米碳质材料结构的损伤。所制备的薄膜图形更好地保留了原有薄膜的电学性倉^:。2.本专利技术提出的图形化工艺与现有集成电路エ艺兼容，エ艺可重复性好，可实现批量纳米碳质薄膜的高质量图形化。附图说明图I为本专利技术图形化方法的エ艺流程图；图中1是基体，2是纳米碳质薄膜，3是光刻胶，4是预制薄膜材料。图2为本专利技术所制备的碳纳米管薄膜图形的扫描电镜照片；其中(a)是碳纳米管薄膜图形化后形成的回形导电线路；(b)是碳纳米管薄膜图形化后形成的方形矩阵。图3为本专利技术图形化的碳纳米管薄膜的扫描电镜照片(a)及拉曼光谱(b)分析。图4为本专利技术图形化前(a)和图形化后(b)碳纳米管薄膜的电学性能随透光率变化的曲线图。具体实施例方式本专利技术提供，其エ艺流程如图I所示。为避免光刻胶3对纳米碳质薄膜2的污染，本专利技术采用光刻及等离子体刻蚀，或光刻及剥离技术使用预制薄膜材料4预先在基体I上制得单、双层金属或金属担载陶瓷的薄膜图形，为了在后续エ艺中实现对纳米碳质薄膜的有效图形化，预制图形厚度为纳米碳质薄膜厚度的I 10倍。采用提拉、喷涂或薄膜转移等方法在预制图形的基体上沉积纳米碳质薄膜2，为增加薄膜与基体的结合强度，薄膜在50 120°C下加热处理I 5小吋。基于不同的应用目的，薄膜厚度为2 200nm。为避免等离子体刻蚀对纳米碳质材料的损伤，本专利技术采用剥离预制单、双层金属或金属担载陶瓷薄膜图形的方法得到纳米碳质薄膜的图形。将沉积在单、双层金属或金属 担载陶瓷薄膜图形上的纳米碳质薄膜浸泡在相应金属的刻蚀溶液中，去除附着在预制图形上的纳米碳质材料，而附着在裸露基体表面的纳米碳质材料被保留，从而形成图形。如预制单层金属图形，去除时则借助超声处理，其功率为50W 600W(优选为100W 400W)，超声时间为5s IOmin (优选为IOs 5min),如预制金属担载金属或陶瓷的双层的图形时，则也可在无超声辅助的条件下实现剥离。其中与基体接触的底层金属薄膜在刻蚀液中被刻蚀，担载在金属薄膜上的金属或陶瓷不被刻蚀，而随着底层金属的刻蚀被整体剥离，起到切割碳质薄膜的作用，使附着其上的纳米碳质材料也同时被去除，保留了附着于基体表面的纳米碳质材料，形成图形。下面结合实施例对本专利技术做进ー步描述。实施例I在PET基体上旋涂光刻胶，在紫外光下曝光，并在0.6wt% NaOH水溶液中显影，完成光刻。将光刻后的PET基体上沉积IOOnm铝层，然后置于丙酮中去除曝光的光刻胶并剥离附着于其表面的铝层，得到镀有铝金属图形的PET基体，再用氧等离子体处理基体3分钟，以清除残余光刻胶并提高PET基体的润湿性。采用提拉法，将预制有铝金属图形的PET基体浸没于单壁碳纳米管分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无损、无污染的纳米碳质薄膜的图形化方法，其特征在于，步骤如下：(1)预先在基体材料上制得单、双层金属或金属担载陶瓷的薄膜图形；(2)采用提拉、喷涂或薄膜转移的方法在预制图形的基体上沉积纳米碳质薄膜，其后将薄膜在50～120℃下加热处理1～5小时，以增加薄膜与基体的结合强度，薄膜厚度为2～200nm；(3)将沉积在单、双层金属或金属担载陶瓷薄膜图形上的纳米碳质薄膜浸泡在薄膜图形中与基体接触的金属相应的金属刻蚀液中；其中，预制单层金属薄膜的图形在刻蚀液中金属薄膜被刻蚀，同时附着于其上的纳米碳质薄膜也被去除；预制双层金属或金属担载陶瓷薄膜的图形其底层金属在刻蚀液中被刻蚀，担载在底层金属薄膜上的金属或陶瓷层不被刻蚀，而是随着底层金属的刻蚀被整体剥离，而附着于其上的纳米碳质材料也同时被去除，保留了附着于基体表面的纳米碳质材料，形成图形；预制单、双层金属或金属担载陶瓷时，借助超声辅助去除附着于金属或陶瓷表面的纳米碳质薄膜，超声功率为50W～600W，超声时间为5s～10min；预制金属担载金属或陶瓷的双层的图形时，也可在无超声辅助的条件下实现剥离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜金红，苏阳，马来鹏，裴嵩峰，刘文彬，刘畅，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：