[发明专利]利用紫外光氧化实现和调控石墨烯薄膜图案化的方法

说明书

本发明提供了一种利用紫外光氧化实现和调控石墨烯薄膜图案化的方法，包括：步骤1：利用氙灯准分子紫外光氧化方法和硬质掩膜版实现石墨烯薄膜微米结构图形图案化；步骤2：通过在石墨烯薄膜表面施加垂直方向的非均匀性磁场，控制氧激子沿磁场方向向石墨烯薄膜运动，增强其沿垂直方向对石墨烯薄膜刻蚀的方向性，提高石墨烯薄膜微米结构图案化质量；步骤3：通过调节磁场的强度和方向(譬如沿水平方向)，控制氧激子运动的方向性，调控刻蚀石墨烯薄膜图形结构的形状，达到调控石墨烯薄膜图案化目的。本发明中的方法能够实现和调控微米图形结构阵列，适宜于大面积石墨烯薄膜图案化、无光刻胶污染、成本较低、且图案化石墨烯薄膜质量高。

技术领域

本发明涉及石墨烯薄膜制备技术领域，具体地，涉及一种利用紫外光氧化实现和调控石墨烯薄膜图案化的方法。

背景技术

石墨烯薄膜具有优异的载流子迁移率、宽波段光学透过率、导热性和柔韧性，其作为新型材料在柔性显示器件、探测器件、太阳能电池等光子和光电子领域具有重要的应用前景。从单层石墨烯电子元件的诞生到大面积石墨烯薄膜逐步走向产业化，开展石墨烯薄膜图案化，即制备一定几何结构或功能结构的单元和阵列，是其中一个关键环节，它是石墨烯基础研究和光子、光电子等大规模集成器件产业化应用的必经之路。

目前，石墨烯薄膜图案化主要采用以下方法：

(1)利用电子束曝光或光学曝光和反应离子刻蚀等微纳米加工技术制备微纳米结构图案。这种方法开展石墨烯薄膜图案化可以实现几个纳米的图形精度，在前沿基础科学研究中为人们所青睐和广泛采用。然而，这种方法是以石墨烯表面旋涂有机光刻胶为感光层，它会不可避免地引入有机胶污染，降低石墨烯薄膜质量。此外，这种方法开展石墨烯薄膜图案化工艺复杂、价格昂贵，至今在石墨烯薄膜产业化过程中仍然没有被企业所采用。

(2)利用激光“直写”法开展石墨烯薄膜图案化。这种方法是利用激光束在石墨烯薄膜上直接刻蚀形成图案，其具备操作简便、刻蚀速率快、免受光刻胶污染等特点，其在石墨烯薄膜产业化过程中备受企业青睐。然而，激光在自由空间传播时一般具有几十微米的光斑，它会直接影响到其刻蚀的石墨烯薄膜图案的线宽和精度。为得到具有高质量的石墨烯薄膜图案，人们会尽可能采用高性能脉冲激光器，如科学研究中使用价格昂贵的飞秒激光器。目前，生产企业如二维碳素利用皮秒脉冲激光刻蚀得到的图形结构特征尺寸一般在30μm以上。此外，利用脉冲激光对石墨烯薄膜开展图案化过程中，它还会对支撑石墨烯薄膜的基底产生一定的刻蚀，这不仅会从一定程度上污染石墨烯薄膜，还可能对其在光子、光电子等领域的应用产生负面影响。

(3)将硬质掩膜版置于石墨烯薄膜上，利用反应离子刻蚀直接开展其图案化。这种方法是由Keong Yong等人最近提出的，其能够实现几十微米的图形结构(ScientificReports,Vol.6,24890,2016)。然而，由于刻蚀离子的钻蚀效应，这种方法得到的石墨烯薄膜距边缘约十二微米范围内均会产生缺陷。不仅如此，反应离子刻蚀对基底材料还会产生一定的损伤。此外，反应离子刻蚀设备其反应区域一般在几英寸，对于几十英寸大面积石墨烯薄膜图案化来说，这在技术上可能会出现新的难点，并且其昂贵的价格并不适合产业化推广。

紫外光氧化方法广泛用于基底材料的清洗。它利用真空紫外光将氧气分子分解生成氧激子和臭氧，利用氧激子的强氧化性将有机材料或碳族材料刻蚀，并释放出二氧化碳或一氧化碳气体。在过去的几年中，我们利用紫外光氧化方法对石墨烯薄膜进行改性，得到了具有一定纳米结构和含氧功能团的石墨烯。然而，与反应离子刻蚀相比，紫外光氧化在室温下反应强度较弱，其并不适用于大面积石墨烯薄膜的图案化。为提高紫外光氧化刻蚀强度，利用自主研制的紫外光氧化高真空设备(ZL201210462171.7，ZL201210442424.4)，将基底加热到120℃能够显著提高石墨烯薄膜的氧化刻蚀强度。然而，由于高温紫外光氧化过程中氧激子扩散能力增强，石墨烯薄膜图案化的图形结构失真度高，且石墨烯表面靠近边缘部分破坏严重。氙灯准分子光源能够发射波长为172nm的紫外光，其能够将大部分有机分子氧化，具有更强的氧化性，室温下即能够刻蚀八至十层石墨烯。