[发明专利]一种全碳石墨烯器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微加工技术领域，特别涉及一种全碳石墨烯器件及其制备方法。

背景技术

在过去的几十年间，半导体行业按照摩尔定律的预言迅猛发展，随着硅基器件的尺寸不断减小，芯片集成度不断提高，计算机的信息处理速度也越来越快，信息化对社会生活的影响无处不在。然而，硅基器件的尺寸日益接近理论极限，人们希望能够找到新途径，继续提高计算机的性能。碳材料的出现为电子器件的发展提供了新的契机，石墨烯和碳纳米管是由sp²杂化碳原子组成的两种同素异构体，它们具有优异的热、电、光、机械性能。石墨烯是零禁带的二维半金属材料，具有极高的载流子迁移率和热导率，有望进一步提高电子器件的集成度和速度。碳纳米管薄膜具有很高的电流负荷量(10⁹A·cm^-2)和热导率(3500W·m^-1·K^-1)，是一类理想的电极材料。

柔性电子器件的制备是一种新兴电子技术，以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域，具体如在可折叠柔性显示技术、可穿戴柔性太阳能电池以及便携式电子设备等领域具有巨大应用前景。柔性电子器件要求材料不仅具有金属或者半导体材料的电学、光学性能，而且具有良好的机械性能。目前柔性电子器件的制备主要基于导电聚合物材料聚苯胺、聚吡咯等，但是导电聚合物材料稳定性差、迁移率低。因此，在高速集成电子的应用中，基于有机聚合物材料的柔性电子器件有极大的局限性。石墨烯、碳纳米管与高分子材料相比，具有更优电学和机械性能，化学稳定性高，可用于制备电学、力学性能更为优异的柔性器件。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种全碳石墨烯器件，器件的有效沟道材料为单层石墨烯；源漏电极材料为碳纳米管石墨烯复合膜；电极与沟道的接触为连续石墨烯。本发明提供的石墨烯器件沟道材料与电极材料为一连续整体，电极接触稳定性好，器件电学性能优异；利用碳纳米管石墨烯复合膜作为电极，器件具有更优异的力学稳定性。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全碳石墨烯器件，包括源电极、漏电极、沟道、基底层，所述源电极和漏电极分别连接于沟道的两侧，所述基底层位于源电极、漏电极及沟道的下方；所述源电极和漏电极为碳纳米管-石墨烯复合膜；所述沟道由石墨烯组成；所述源电极、漏电极与沟道为连续一体薄膜；所述基底层作为支撑层位于所述薄膜下面。

对于本发明所述的全碳石墨烯器件，用于组成沟道的石墨烯为单层石墨烯。

优选地，所述复合膜中石墨烯的层数为1-5层。

对于本发明所述的全碳石墨烯器件，所述基底层为硅片或柔性基底。

优选地，所述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或者聚二甲基硅氧烷中的一种。

优选地，所述硅片为高掺杂硅晶圆。

优选地，所述高掺杂硅晶圆表面覆盖热氧化二氧化硅层。

优选地，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯基底层厚度为100μm-1000μm之间，优选为200μm。

本发明中的复合膜请参见方英等人于2014年4月1日申请的“一种碳纳米管编织的石墨烯薄膜、制备方法及光伏应用”(申请号：201410128376.0)中的方法制备。

对于本发明所述的全碳石墨烯器件，其特征在于，所述源电极与漏电极之间的间距为1μm-1000μm，例如为2μm，10μm，20μm，30μm，40μm，50μm，100μm，200μm，300μm，500μm，800μm等，沟道的宽度为1μm-1000μm例如为2μm，10μm，20μm，30μm，40μm，50μm，100μm，200μm，300μm，500μm，800μm等。

优选地，当PET基底层厚度为200μm时，所述的全碳石墨烯器件的最小弯曲半径为1.3mm。

本发明的目的之一还在于提供本发明所述全碳石墨烯器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)将铜箔上的碳纳米管膜图形化，碳纳米管膜部分被刻蚀露出铜箔；

(2)将步骤(1)所得的碳纳米管膜图形化的铜箔放入化学气相沉积系统中，生长石墨烯，碳纳米管膜覆盖部分得到复合膜，裸露铜箔上生长出单层石墨烯，从而得到复合膜-石墨烯薄膜，复合膜部分将用于制备源漏电极，单层石墨烯部分将作为器件沟道；

任选地(3)分割步骤(2)所得复合膜-石墨烯薄膜，制备不同尺寸的源漏电极和沟道；