[发明专利]一种热解碳/二硫化钼纳米片/石墨烯复合材料图案化微电极及其微加工工艺

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料与微加工工艺交叉领域，更具体地说，涉及一种热解碳/二硫化钼纳米片/石墨烯复合材料图案化微电极及其微加工工艺。

背景技术

基于微纳技术发展起来的微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical Systems)已被广泛应用于社会的各个领域中，其中，基于热解光刻胶所制作的碳基微系统(C-MEMS,carbon Micro Electro Mechanical Systems)因其微结构精确可控、环保经济、设备要求低、工艺可与现有半导体微加工工艺完全集成等特点而被广泛研究并应用于各种微型器件及系统中。二硫化钼层状纳米材料具有高比表面积、赝电容活性、相比于氧化物具有高电子电导率以及相对于石墨具有高电化学容量，因此成为研究者广泛关注的高性能电容器材料之一。中国发明专利(授权公告号CN104226337，授权公告日2016.05.04)公开了一种石墨烯负载片层状二硫化钼纳米复合物及其制备方法，该发明以钼酸铵和硫脲作为起始物，在水热条件下使其能够在氧化石墨烯表面负载片层状的纳米二氧化钼；经过焙烧处理后石墨烯所负载的片层状二硫化钼具有更高的结晶度，光催化效率超过商用纳米氧化钛1.7倍以上，但是该复合物与微加工工艺较难兼容，很难实现这种复合材料在微器件及微系统的有效集成。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的二硫化钼纳米复合物较难在微器件及微系统的有效集成的缺陷，提供一种工艺简单，并具有良好的电化学性能，较大的面积比容量的热解碳/二硫化钼纳米片/石墨烯复合材料图案化微电极的加工工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用光刻胶的光致抗蚀性，并以光刻胶中的感光树脂为碳源与水热合成的二硫化钼纳米片/石墨烯材料相复合，制得热解碳/二硫化钼纳米片/石墨烯复合材料微电极，制得了热解碳/二硫化钼纳米片/石墨烯复合材料的微图案化微电极。

根据以上方案，所述一种热解碳/二硫化钼纳米片/石墨烯复合材料图案化微电极的微加工工艺，具体包括以下步骤：

1)将石墨烯、二水钼酸钠、硫脲、水为1～10：400：600～700：10000～30000的质量比混合均匀后在反应釜中进行水热合成反应，水热合成反应的温度为150～250℃，反应时间为20～30h。水热合成反应完毕后将水热产物用离心操作配合乙醇洗数次，离心转速为10000r/min，离心时间为3min，将洗涤干净后的水热产物离心，取固体物，烘干后得到固体产物，将固体产物研磨，得到二硫化钼纳米片/石墨烯材料；采用这种方法得到的二硫化钼纳米片/石墨烯材料中二硫化钼纳与石墨烯成分均一，采用这种配比的石墨烯、二水钼酸钠、硫脲、水得到的二硫化钼纳米片/石墨烯材料，其溶解性、相表征最佳。

2)将光刻胶与二硫化钼纳米片/石墨烯材料按10～200：1的质量比混合均匀后得到复合材料，将复合材料涂覆于基板上烘干，再进行紫外光刻、显影和润洗得到样品，最后将样品在惰性气氛下进行高温热解反应得到热解碳/二硫化钼纳米片/石墨烯复合材料图案化微电极；通过控制光刻胶和二硫化钼纳米片/石墨烯材料的含量来达到改善组分的目的，使其表现出良好的电化学性能，面积比容量得到显著提升。

所述反应釜为内衬聚四氟乙烯反应釜，所述反应釜的填充度为50～70％；控制反应釜内反应液的填充度防止反应液过多在反应的过程中溢出。

所述高温热解反应过程为：首先将样品加热至200～400℃，保温15～45min，然后加热至500～600℃，保温15～45min，继续加热至700～1000℃，保温0.5～1.5h，最后冷却至室温。采用这种三步分段加热的方式提高微结构的强度，防止微结构在高温下发生断裂现象。

所述基板为硅基板或玻璃基板；

优选地，所述基板为表面带有二氧化硅氧化层的抛光硅基板。这种基板具 有较好的平整度，方便进行涂覆工序。

优选地，所述步骤2)中，向光刻胶与二硫化钼纳米片/石墨烯材料混合后的复合材料中加入乙醇，所述乙醇与复合材料的质量比为1：5～20；当复合材料中的二硫化钼纳米片/石墨烯材料的含量较高时，复合材料太粘稠不易进行涂敷工序，通过加入乙醇降低粘稠度方便涂敷工序。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明所得的热解碳/二硫化钼纳米片/石墨烯图案化微电极，具有良好的电化学性能，面积比容量得到显著提升，在微型传感器和微型储能器件等领域有着良好的应用前景。

2)本发明涉及的微加工工艺简单、原料来源广、设备要求低、制作效率高，适合推广应用。