[发明专利]石墨烯传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器技术领域，特别是涉及一种石墨烯传感器及其制备方法。

背景技术

石墨烯，是由碳原子构成的二维新材料，碳原子sp²杂化形成了具有蜂窝状的二维晶体结构。这样的精妙结构，赋予石墨烯特殊的电子特性以及优良的电学、力学、热学、光学和机械性能。这些特点使石墨烯在传感器方面具有光明的应用前景。

石墨烯巨大的比表面积使其对周围的环境非常敏感，即使是一个气体分子的吸附或释放都可以被检测到，极大地提高了微量气体(如NH₃、NO₂、H₂O、Cl₂和CO等)快速检测的灵敏性。石墨烯对一些酶呈现出优异的电子迁移能力，并且对一些小分子如H₂O₂、NADA等具有良好的催化性能，使其适合做基于酶的生物传感器(葡萄糖传感器和乙醇生物传感器)，该类传感器在医药、环境和食品等领域有重要的研究意义。

综合石墨烯传感器的研究近况，指出基于石墨烯的小尺度传感器在环境检测中的前景较好，但小尺寸石墨烯传感器的开发依然面临着3个方面的困难:第一，低成本批量化的制备技术有待开发；第二，石墨烯传感器的尺寸需要微纳化，以形成足够的竞争力，提高应用范围；第三，要避免制备过程中的污染，因为石墨烯是亲油性的，碳氢化合物、水蒸气分子容易吸附于其表面上，影响灵敏度，因此，石墨烯传感器的制备工艺有待优化。因此，没有经济实惠又高产的方法大规模的制备石墨烯，基于石墨烯的器件研发仍处于萌芽阶段。

鉴于以上论述，本发明的目的在于提供一种制备石墨烯传感器的方法，以实现器件微纳化，避免污染，并实现该传感器的批量制备，提高生产效率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯传感器及其制备方法，重点在于如何巧妙地设计该类器件的结构尺寸，实现器件微纳化，并通过合理的工艺流程避免制备过程对石墨烯薄膜造成的污染。关键在于通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方法直接在预设的器件结构上生长石墨烯薄膜，以实现该类传感器的批量制备，提高生产效率。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种石墨烯传感器的制备方法，所述制备方法包括步骤：步骤1)，提供一衬底，于所述衬底的第一表面形成第一绝缘层，于所述衬底的第二表面形成第二绝缘层，所述第一表面与第二表面为所述衬底相对的两个表面；步骤2)，于所述第一绝缘层中打开窗口，基于所述窗口对所述衬底进行湿法腐蚀直至所述第二绝缘层，以形成腔体结构；步骤3)，于所述腔体结构区域上的第二绝缘层中刻蚀出开孔；步骤4)，于所述第二绝缘层上制备金属电极；步骤5)，于所述腔体结构表面生长石墨烯层，所述石墨烯层与所述腔体结构内的衬底表面形成肖特基接触。

优选地，所述衬底包括Si衬底、Ge衬底、AlN衬底、SiC衬底、Al₂O₃衬底、InP衬底中的一种，所述衬底为n型掺杂、p型掺杂或者半绝缘体，所述衬底的晶向为各向异性。

优选地，步骤1)中，通过化学气相沉积方法于所述衬底的第一表面形成第一绝缘层，于所述衬底的第二表面形成第二绝缘层，所述第一绝缘层及第二绝缘层的材料包括SiN，厚度范围为30nm～150nm。

优选地，步骤2)中，所述窗口的径向尺寸为所述衬底径向尺寸的1/3～3/4。

优选地，步骤2)中，采用无机碱性腐蚀溶剂对所述衬底进行湿法腐蚀直至所述第二绝缘层，以形成腔体结构，所述无机碱性腐蚀溶剂包括KOH、NaOH、NH₄OH中的一种。

进一步地，湿法腐蚀完成后，还包括依次采用丙酮、去离子水和异丙酮对所述衬底进行清洗的步骤。

优选地，步骤3)中，所述开孔的直径范围为1-5μm。

优选地，步骤4)包括：步骤4-1)，于所述第二绝缘层表面旋涂光刻胶，并曝光形成露出所述第二绝缘层的金属电极图形；步骤4-2)，通过磁控溅射、热蒸发或者激光脉冲沉积方法于所述光刻胶及露出的第二绝缘层表面沉积金属层；步骤4-3)，剥离所述光刻胶及光刻胶上的金属层，形成金属电极。

优选地，步骤4-1)旋涂光刻胶前，先将所述第一绝缘层粘合于一完整表面上，然后于所述第二绝缘层表面旋涂光刻胶。

优选地，所述金属电极包括过渡金属层及电极金属层，所述过渡金属层包括Ge、Ni、Pt中的一种，厚度范围为10nm～20nm，所述电极金属层包括Au、Pt中的一种，厚度范围为50nm～70nm。