一種制備高取向性石墨烯納米結構的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于先進半導體材料和結構制造技術領域，具體來說，涉及一種制備高取向性石墨烯納米結構的方法。
【背景技術】
[0002]碳納米結構在電子器件、能源、環境等領域具有廣泛的應用。其中，有序碳納米結構比如石墨烯，碳納米管，富勒烯等結構長期受到廣泛的研究并在廣泛的領域已經獲得了應用。但是，將這些納米材料和結構應用于半導體器件仍然存在一定的困難。其中，最重要的一點是納米結構的定點可控制備。由于這些納米材料和結構的特征尺度都在納米級別，通常將其制備好后如果要將其按照既定的取向定位于襯底上的某一個位置是比較困難的，所以現在部分研究者在尋找直接在襯底上定點制備這些納米材料的方法。比如，先利用光刻的方法在襯底上定義催化劑的位置，之后進行生長工藝以使得納米材料和結構只在有催化劑的位置進行生長。這一方法實際上仍然難以獲得良好的可控性，因為要實現基于單個或者可控個數的納米結構的器件制備需要非常嚴格的控制制備工藝參數。雖然這一方法可以在實驗室經過嚴格的實驗條件控制獲得，但是實際的制備比較困難。為此，實現高精度的碳納米結構制備是有顯著的實際意義的。
[0003]電子束、離子束等粒子束加工方法是目前能夠良好實現納米級別定位精度的方法，特別是電子束方法具有更高的定位精度，可以實現材料的輻照以進行缺陷修復和材料淀積。比如，電子束誘導的材料淀積可以用于高精度制備納米結構和材料，電子束輻照刻蝕可以實現材料的表面加工等等。其中，電子束誘導的材料淀積一般只能用于非晶材料的制備，而電子束輻照刻蝕一般只能基于原材料進行修飾。在基于電子束技術的碳材料制備中，電子束誘導的材料淀積可以獲得非晶碳結構，結合電子束輻照刻蝕后可以促進其晶化。基于電子束輻照晶化的原理，輻照過程一般是各項同性的，因此普通的電子束輻照和刻蝕可以獲得類似于富勒烯的各項同性結構，但是無法獲得具有各項異性結構的材料，比如較大尺寸的石墨烯結構。
【發明內容】
[0004]技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提供一種制備高取向性石墨烯納米結構的方法，可以獲得高取向性的石墨烯納米結構。
[0005]技術方案:為解決上述技術問題，本發明實施例提供以下技術方案:
一種高取向性石墨稀納米結構的制備方法，該方法包括以下步驟:
步驟10)在襯底表面制備非晶碳納米線，所述的非晶碳納米線為含碳的有機物材料制成；
步驟20)對非晶碳納米線施加拉伸應力，并且進行電子束輻照，輻照能量小于非晶碳納米線材料的表面濺射能量閾值，且小于非晶碳納米線材料的體刻蝕閾值，輻照時間為5-200分鐘，從而制得沿著應力或者應變方向取向的高取向性石墨烯納米結構。
[0006]作為優選例，所述的非晶碳納米線在電子束輻照強度下，至少在5分鐘內非晶碳納米線材料不分解。
[0007]作為優選例，所述的電子束輻照能量為使非晶碳納米線材料表面碳原子產生濺射的電子束能量閾值的20%_80%。
[0008]作為優選例，所述的對非晶碳納米線施加拉伸應力是指:使用熱致伸縮、聲致伸縮、光致伸縮、電致伸縮或者磁致伸縮的間接應力、應變加載方式，或者直接施加應力、應變加載的方式，對非晶碳納米線施加拉伸應力。
[0009]作為優選例，所述的對非晶碳納米線施加拉伸應力時，施加的拉伸應力低于非晶碳納米線的斷裂極限，且輻照過程中，由于應力釋放導致的非晶碳納米線沿長度方向產生的應變大于0.001%。
[0010]有益效果:與現有技術相比，本發明實施例的制備方法具有以下優點:
1.可以實現高取向性石墨烯納米結構的制備。雖然常規方法可以實現有序結構的制備，比如富勒烯等結晶材料，但是一般只能獲得各項同性結構的材料，材料不具有特定的取向性。而本發明的制備方法可以獲得具有高取向性的石墨烯納米結構。同時，本發明的制備方法簡單，制備效率高。本發明的制備方法不需要氣源、管式爐、真空控制設備，以及嚴格控制的制備流程。本方法使用簡單的應力加載下的電子束輻照技術即可實現石墨烯取向結構的制備。同時，采用常規方法制備石墨烯納米結構需要數小時，而采用本發明的方法制備一根取向性石墨烯納米結構通常小于一小時，時間較短，制備效率高。
[0011]2.可以實現高精度定點制備。基于電子束加工的高空間分辨率，結合電子束的成像功能可以實現電子束的高精度定位。定位后進行加工則可以實現高精度的定點加工制備碳納米結構。
[0012]3.可以通過調節施加應力或者應變的方向來獲得沿著特定的、所需要方向取向的高取向性石墨烯結構。目前，其他方法比如化學氣相沉積只能獲得平行于襯底表面取向石墨烯，但是本實施例的方法可以使用改變施加的應力或者應變的方向，來獲得沿著不同方向取向的石墨稀結構。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例步驟10)中，襯底和非晶碳納米線的俯視圖；
圖2是本發明實施例步驟10)中，襯底和非晶碳納米線的正視圖；
圖3是本發明實施例步驟20)中，電子束與非晶碳納米線的位置示意圖，圖中箭頭表示應力或者應變的施加方向；
圖4是本發明實例中納米線的TEM照片；
圖5是本發明實例中納米結構的伸長量隨著輻照時間的變化線條圖；
圖6是本發明實例中有機非晶納米線隨著輻照時間的內部結構變化的電子顯微圖片。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0015]本發明實施例的一種高取向性石墨烯納米結構的制備方法，該方法包括以下步驟: 步驟10)在襯底表面制備非晶碳納米線。
[0016]作為優選例，如圖1和圖2所示，在襯底4的頂面通過兩片金屬電極3固定非晶碳納米線2。所述的非晶碳納米線2為含碳的有機物材料制成。非晶碳納米線在電子束輻照強度下，至少在5分鐘內非晶碳納米線材料不分解。
[0017]步驟20)對非晶碳納米線施加拉伸應力，并且進行電子束輻照，輻照能量小于非晶碳納米線材料的表面濺射能量閾值，且小于非晶碳納米線材料的體刻蝕閾值，輻照時間為5-200分鐘，從而制得沿著應力或者應變方向取向的高取向性石墨烯納米結構。
[0018]對非晶碳納米線施加拉伸應力的方式有多種。使用熱致伸縮、聲致伸縮、光致伸縮、電致伸縮或者磁致伸縮的間接應力、應變加載方式，或者直接施加應力、應變加載的方式，對非晶碳納米線施加拉伸應力。施加的應力或應變是針對非晶碳納米線施加的。作為一優選例，應力或者應變的施加可以通過加熱具有較大熱膨脹系數的襯底4進行，也就是說，襯底4的熱膨脹系數大于非晶碳納米線2的熱膨脹系數。如圖3所示，對處于拉伸應力或應變狀況下的非晶