[发明专利]一种制备二维纳米材料的微米带或纳米带的方法

说明书

本发明公开了一种二维纳米材料的微米带或纳米带的制备方法。该方法相对于传统工艺制备的二维纳米材料的微米带或纳米带，无需采用光刻工艺，从而避免了其对光刻水平的依赖，并且可改善由光刻法制备微米带或纳米带造成的边缘粗糙问题。另外，通过控制光刻胶的厚度、显影液与光刻胶之间的温差，可以获得宽度和长度可控的二维纳米材料的微米带或纳米带。

技术领域

本发明属于微纳尺度器件技术领域，具体涉及一种免光刻制备二维纳米材料微米带或纳米带的方法。

背景技术

石墨烯由于其较高的电导率和优良的导热性能，在纳电子器件领域受到了人们极大的关注。随后，一些其它二维薄膜材料(如MoS₂，h-BN等)在纳电子器件中的独特应用潜力也逐渐被挖掘。相对于大面积二维材料，它们的微米带或纳米带往往会表现出更加奇特的性质，比如MoS₂纳米带会表现出铁磁性质、而用石墨烯纳米带制作的器件具有较大的开关比等。但是，微米带或纳米带的通常都是通过传统的光刻和刻蚀来实现，所以它们的宽度会受到光刻水平的制约，并且其边缘往往较粗糙。

发明内容

本发明的目的在于提出一种免光刻制备二维纳米材料微米带和纳米带的方法。该方法包含的主要步骤及原理如下：

1)在需使用的衬底表面生长二维纳米材料或将要使用的二维纳米材料转移到所需的衬底表面。

根据二维纳米材料微米带和纳米带的实际需要，衬底可以是表面平坦的或预先制备了一定图形的衬底，可以是刚性或柔性的衬底等。无论何种衬底，都不影响该方法制备二维纳米材料微米带或纳米带的可行性。

2)使用水溶性光刻胶旋涂在覆盖有二维纳米材料的衬底上，衬底保持室温M℃(18℃～30℃)，

光刻胶必须是负性光刻胶。因为对于负性光刻胶，其未曝光的部分能在显影液中溶解。另外，由于水溶性光刻胶对应的显影液是水溶液，所以这种显影液对光刻胶的溶解性比有机显影液差。当光刻胶快要完全溶解时，在衬底表面会分布着小面积的较薄的光刻胶膜。

3)将显影液降温至N℃(4℃～16℃)，将涂好胶的衬底放入显影液中，若涂完胶的衬底和显影液之间的温差为ΔT，(即ΔT＝M-N)。静置显影，则常温光刻胶在冷的显影液中慢慢降低厚度，并逐渐溶解成小面积光刻胶薄膜。然后，小面积的光刻胶薄膜发生卷曲，最终在衬底上形成宽度、高度和长度不同的光刻胶薄膜卷，这段显影时间记为t₁(10s～40s)。如再延长显影时间t₂(0s～60s)，则可以使已经形成的光刻胶薄膜卷的宽度和高度进一步减小。所以，显影的时间范围为10s～100s。显影完毕，立即放入定影液中充分定影，随后去除水分。

当光刻胶和温度比其低的显影液接触后，一方面光刻胶在水溶液性的显影液中缓慢溶解而减薄，并形成小面积的光刻胶薄膜；另一方面小面积的光刻胶薄膜在缓慢溶解的同时，由于遇冷而发生收缩、卷曲。显影液与光刻胶之间的温差ΔT决定小面积的光刻胶薄膜的大小，从而决定光刻胶薄膜卷的宽度W(40nm～4μm)、高度H(35nm～2μm)和长度L(200nm～10μm)。如图1，当温差ΔT较大时(18℃～26℃)，小面积光刻胶薄膜因为较大的温差而急剧收缩，所以形成的光刻胶薄膜卷的尺寸也相应较大，下方的二维纳米材料经刻蚀后容易形成微米带；当温差ΔT较小时(2℃～8℃)，光刻胶不会急剧收缩，只有当光刻胶薄膜较小时才会发生卷曲，形成的光刻胶薄膜卷的尺寸也相应较小，下方的二维纳米材料经刻蚀后容易形成宽度较小的纳米带；当温差ΔT既不太大也不太小时，刻蚀后容易形成二维纳米材料的微米带和纳米带的混合组成物。

除了温差ΔT，旋涂光刻胶的厚度d(100nm～800nm)也会决定光刻胶薄膜卷的宽度和高度。如图2，对于相同卷数的光刻胶薄膜卷，由于所旋涂的光刻胶的厚度不同，光刻胶薄膜卷的宽度和高度也不相同。