一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法
【專利摘要】本發明涉及納米加工【技術領域】，尤其涉及一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法。采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其通過原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷，然后用含氫等離子體對該石墨烯進行各向異性刻蝕。此方法能夠在石墨烯上實現小于200nm周期的納米孔洞陣列圖案。且超晶格石墨烯納米結構的周期和納米帶寬度是可控的。原子力顯微鏡針尖的加工方法簡單并且沒有引入額外污染的手段，所得的器件十分干凈。此外，輔助針尖陣列加工工藝，本方法可用于器件集成，批量生產石墨烯納米結構器件。
【專利說明】—種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米加工【技術領域】，尤其涉及一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是單原子層的石墨片，具有優異的電學性質，其電子遷移率高達100，000cm2V-ls-l,最早于2004年由英國曼徹斯特大學的科學家制備出來(Science306, 666 (2004))。單層石墨烯中的電子在狄拉克點附近具有線性的色散關系，屬于無質量的狄拉克費米子，其費米速度為光速的1/300，因此該材料的發現為凝聚態材料的物性研究及計算提供了理想的實現途徑。
[0003]石墨烯超晶格多孔納米結構的電學性質同時受到量子限域效應和周期勢調制的影響:隨著納米帶尺寸的縮短，原本沒有能隙的石墨烯會打開一個能隙；另一方面，超晶格的結構之前也被證實可以進一步調制石墨烯的能帶結構，會在狄拉克點附近產生新的超晶格狄拉克點(Nature Materialsl2, 792 (2012))。所以通過控制納米帶的尺寸和打孔的周期我們可以進行石墨烯的能帶工程，在保證高的器件開關比的同時仍然具有較大的輸出電流。所以這種多孔的超晶格網狀結構被視為石墨烯能帶工程中非常重要的器件模型。
[0004]通過傳統的微加工手段可以制備這種石墨烯超晶格納米結構，然后其加工難度較大，分辨率受電子束曝光近鄰效應的限制難以將孔洞的周期控制在200nm以下。現有技術中提供了一種利用自組裝的共聚物納米顆粒做掩膜來制備石墨烯納米網的結構(NatureNanotechnology5, 190 (2010)),這種方法雖然可以達到IOOnm以下的周期,但是空洞沒有嚴格的周期性，同時和微加工制備得到的納米結構有共同的問題，即石墨烯的邊緣是粗糙的無序結構，這在一定程度上降低了器件的電學性質。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提出一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，能夠可控地加工出小于200nm周期的納米孔洞陣列圖案，且能夠得到具有原子級平整的zigzag邊緣結構的石墨烯納米結構。
[0006]為達此目的，本發明采用以下技術方案:
[0007]—種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其包括:
[0008]步驟A:采用原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷；
[0009]步驟B:用含氫等離子體對該石墨烯進行各向異性刻蝕。
[0010]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法的一種優選方案，在步驟A之前還包括通過機械剝離的方法將石墨烯轉移到具有氧化層的硅片基底上。
[0011]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法的一種優選方案，將石墨烯轉移到具有氧化層的硅片基底上之后，還包括鋪設與石墨烯導通的器件電極，以及與硅片基底導通的附加電極，其中，所述器件電極和附加電極之間通過引線導通。
[0012]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法的一種優選方案，所述附加電極的鋪設方法為:在硅片基底氧化層上設置若干個穿透氧化層的凹槽，在凹槽處設置附加電極，并且是附加電極與硅片基底導通。
[0013]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法的一種優選方案，在步驟A中，所述脈沖電壓的一個電極與原子力顯微鏡的針尖連通，另一個電極與硅片基底導通。
[0014]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法的一種優選方案，在步驟A中，脈沖電壓的電壓值為-5V?-10V。
[0015]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法的一種優選方案，在步驟A中，人工空位缺陷為孔洞，該孔洞的直徑為30nm-60nm。
[0016]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法的一種優選方案，在步驟A中，脈沖電壓的持續時間為0.5s-l.5s。
[0017]作為上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法的一種優選方案，在步驟A中，所述人工空位缺陷呈周期性排布。
[0018]本發明的有益效果為:本申請提供了一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其通過原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷，然后用含氫等離子體對該石墨烯進行各向異性刻蝕。此方法能夠在石墨烯上實現小于200nm周期的納米孔洞陣列圖案。且超晶格石墨烯納米結構的周期和納米帶寬度是可控的。原子力顯微鏡針尖的加工方法簡單并且沒有引入額外污染的手段，所得的器件十分干凈。此外，輔助針尖陣列加工工藝，本方法可用于器件集成，批量生產石墨烯納米結構器件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明【具體實施方式】提供的石墨烯超晶格納米結構加工過程的流程示意圖。
[0020]其中:
[0021]1:氧化娃；2:娃片基底；3:石墨稀；4:凹槽；5:器件電極；6:附加電極；7:引線；8:針尖；9:氧等尚子體。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0023]如圖1所示，在此實施方式中，本申請提供了一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其包括:步驟A:采用原子力顯微鏡的針尖8加脈沖電壓的方式在石墨烯3上形成人工空位缺陷。
[0024]步驟B:用含氫等離子體9對該石墨烯3進行各向異性刻蝕。
[0025]采用原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方法來人為引入周期性的空位缺陷，其最小的周期可以達到50nm，之后通過氫氣等離子體9處理使空洞的邊界形成原子級平滑的zigzag (鋸齒形)邊界，同時可以準確的控制石墨烯3納米帶的尺寸
[0026]在步驟A之前還包括通過機械剝離的方法將石墨烯3轉移到具有氧化層的硅片基底2上。
[0027]由于氧化硅I絕緣層的存在，如果直接用加負壓的針尖8去燒石墨烯3孔洞的話會在石墨烯3表面產生電荷積累，往往出現陣列中靠后的孔洞無法加工出來，所以讓石墨烯3和硅片基底2導電，并最終和針尖8形成回路是一個必要的前期準備工作。因此，將石墨烯3轉移到具有氧化層的硅片基底2上之后，還包括鋪設與石墨烯3導通的器件電極5，以及與硅片基底2導通的附加電極6，其中，所述器件電極5和附加電極6之間通過引線7導通。
[0028]上述附加電極6的鋪設方法為:在硅片基底2氧化層上設置若干個穿透氧化層的凹槽4，在凹槽4處設置附加電極6，并且是附加電極6與硅片基底2導通。
[0029]附加電極6具體的鋪設方法為:其中加工附加電極6的關鍵步驟是要在蒸電極之前用玻璃刀在氧化硅I邊緣劃幾道，以破壞300nm的氧化硅，使得最終一部分金膜和硅片基底2導通的，然后再沉積上鈦/金電極，最后用引線儀將該區域和金屬電極(即器件電極)連接起來，已達到石墨烯3和硅片基底2導通的目的。在原子力顯微鏡加工完后就要將金引線拆掉，便于后期器件的測量。
[0030]原子力顯微鏡在納米尺度的操縱方面具有非常高的精度和靈活度，我們這里采用的是接觸模式的硅針尖(本身導電)，用原子力顯微鏡的Nanolithography程序編程，使針尖在我們預設的周期格點位置放出脈沖電壓。其中:脈沖電壓的一個電極與原子力顯微鏡的針尖連通，另一個電極與硅片基底導通。電壓通常在-5V和-1OV之間，具體大小要取決于石墨烯的厚度；人工空位缺陷為孔洞，且該人工空位缺陷呈周期性排布。孔洞的大小一般在30nm到60nm之間，取決于電壓的大小以及針尖的形狀；脈沖時間為0.5s_l.5s，作為優選的，脈沖時間為ls，并且即便延長時間所得到的孔洞的直徑變化并不大。
[0031]需要說明的是:氫氣等離子體對石墨烯的刻蝕只發生在石墨烯的缺陷和邊緣處，所以隨后的刻蝕階段之前原子力顯微鏡針尖得到的孔洞會被放大，但是并不會造成新的缺陷或孔洞。同時由于刻蝕的各向異性，我們最終得到的納米結構是具有zigzag邊緣的超晶格多孔石墨烯納米結構。通過控制刻蝕的時間，我們可以得到想要的寬度的納米帶；另外Nanolithography中可以控制孔洞的周期大小。最終我們可以得到最小50nm周期的納米結構，以及納米帶寬度在20nm—下的納米結構。
[0032]為了對上述采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法進行具體的說明，本申請還提供了上述加工方法的具體步驟，其包括以下步驟:
[0033]步驟A:通過機械剝離法把石墨烯片轉移到300nm氧化層的硅片基底上，在光學顯微鏡下確定石墨烯的層數并進行定位。
[0034]步驟B:在樣品上旋涂一層PMMA光刻膠，通過電子束曝光技術得到預設的窗口圖案，曝光后用玻璃刀在基片表面劃幾刀，使得露出下面導電的硅層。
[0035]步驟C:用電子束蒸發設備向步驟B得到的樣品沉積上金屬電極，然后用丙酮lift-off 樣品。
[0036]步驟D:用引線儀將與石墨烯相連的金屬電極和玻璃刀處理過地方的金屬用金線連接起來，達到是石墨烯與襯底導通的目的。
[0037]步驟E:對步驟D得到的樣品用原子力顯微鏡進行形貌表征，確定器件加工區域，然后通過Nanolithography程序給針尖加上_5V?-1OV左右的電壓,并在指定的周期位置打點。
[0038]步驟F:對步驟E得到的樣品我們再利用氫氣等離子體進行各向異性刻蝕加工，從而得到具有zigzag手性的原子級平整的六角孔洞，最終得到我們要的超晶格多孔石墨烯納米結構器件。
[0039]上述加工方法可以在石墨烯上實現小于200nm周期的納米孔洞陣列圖案。且超晶格石墨烯納米結構的周期和納米帶寬度是可控的。同時，原子力顯微鏡針尖的加工方法簡單并且沒有引入額外污染的手段，整個器件加工過程只有一步涂膠曝光過程，所得的器件十分干凈。此外，輔助針尖陣列加工工藝，本方法可用于器件集成，批量生產石墨烯納米結構器件。
[0040]以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發明保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它【具體實施方式】，這些方式都將落入本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，包括: 步驟A:采用原子力顯微鏡的針尖加脈沖電壓的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷； 步驟B:用含氫等離子體對該石墨烯進行各向異性刻蝕。
2.根據權利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，在步驟A之前還包括通過機械剝離的方法將石墨烯轉移到具有氧化層的硅片基底上。
3.根據權利要求2所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，將石墨烯轉移到具有氧化層的硅片基底上之后，還包括鋪設與石墨烯導通的器件電極，以及與硅片基底導通的附加電極，其中，所述器件電極和附加電極之間通過引線導通。
4.根據權利要求3所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，所述附加電極的鋪設方法為:在硅片基底氧化層上設置若干個穿透氧化層的凹槽，在凹槽處設置附加電極，并且是附加電極與硅片基底導通。
5.根據權利要求3所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，在步驟A中，所述脈沖電壓的一個電極與原子力顯微鏡的針尖連通，另一個電極與硅片基底導通。
6.根據權利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，在步驟A中，脈沖電壓的電壓值為-5V?-10V。
7.根據權利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，在步驟A中，人工空位缺陷為孔洞，該孔洞的直徑為30nm-60nm。
8.根據權利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，在步驟A中，脈沖電壓的持續時間為0.5s-l.5s。
9.根據權利要求1所述的采用原子力顯微鏡加工石墨烯超晶格納米結構的方法，其特征在于，在步驟A中，所述人工空位缺陷呈周期性排布。
【文檔編號】B82B3/00GK103787270SQ201410038158
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】成蒙, 張廣宇, 時東霞 申請人:中國科學院物理研究所