[发明专利]电子束诱导石墨烯纳米条带原位生长制造方法

说明书

本发明属于新型碳材料微纳制造领域，涉及聚焦电子束高分辨图形加工、碳基新材料元素结构分析、微纳结构形貌观测等方面。本发明提供了一种电子束诱导石墨烯纳米条带原位生长制造技术，即，使用高能电子束（30μm光阑、30kV牵引电压、280 pA电子束流）对铜基底表面有机高分子薄膜进行辐照以获得石墨烯的方法。一方面，电子束与有机分子碰撞过程中会驱动碳原子重新排布形成石墨烯晶体结构，且电子束1~3nm尺寸光斑有助于高分辨石墨烯结构的制备；另一方面，电子束轰击有机高分子薄膜将在局部产生数百度高温，铜金属在高温环境下会对有机高分子中的碳原子产生解析作用，电子束真空曝光系统有助于铜基底对石墨烯的高温催化作用，提升石墨烯纳米条带品质。

技术领域

本发明属于新型碳材料微纳制造领域，涉及聚焦电子束高分辨图形加工、碳基新材料元素结构分析、微纳结构形貌观测等方面。

背景技术

现阶段石墨烯纳米条带制备包括自下而上和自上而下两种方式，自下而上是指通过化学合成、热生长等方式进行的石墨烯纳米条带生长制备，德国马克斯·普朗克聚合物研究所SCHWAB等人借助双氯前体分子首次化学合成横向扩展宽度为1.54～1.98nm且带隙低至1.12eV的石墨烯纳米带，波托西诺科学技术研究所Campos等人利用乙醇溶解FeCp2和C4H4S的混合物作为前驱体，使用化学气相沉积成功生产高结晶度长20-30μm，宽20-300nm的石墨烯纳米带，该类技术的优势在于制造成本较低、批量化生产容易，但是存在形貌尺寸、位置排布可控性差等缺点。另外一种石墨烯纳米条带的制备方法是自上而下的加工方法，主要通过对CVD模式生长的石墨烯进行转移、光刻、刻蚀而获得石墨烯纳米条带结构，这类制造方法相对成熟，应用也更为广泛，但受限于转移过程中杂质引入、光刻精度、刻蚀过程引发的边缘缺陷态等工艺制造问题，很难应用于石墨烯条带结构的可靠制备。

近年来，电子束辐照技术迅速发展，广泛应用于各种材料的表面改性。湖南大学段辉高教授、国防科技大学陈卫博士、滑铁卢大学H. Yamada等通过对PMMA高剂量辐照，获得了石墨化碳基材料，并基于此工艺构建了全碳基石墨烯MOS管作为应用输出。电子束驱动有机高分子材料中碳原子确实可以形成石墨烯晶体结构，但最终产物依旧存在C-O、C=H等分子结构缺陷，有机高分子薄膜向石墨烯晶体转变过程并不完全。

发明内容

本发明旨在提供一种利用电子束辐照铜表面PMMA有机分子薄膜制备石墨烯的方法，有助于解决传统CVD石墨烯转移刻蚀制备石墨烯条带工艺复杂和纳米级精细化加工困难的瓶颈问题，并为液相化学合成法制备石墨烯纳米条带时形貌尺寸可控性差及空间排布控制困难等瓶颈问题提供新的解决思路。

为实现上述目的，本发明是采用以下技术方案：一种电子束诱导石墨烯纳米条带原位生长制造方法，包括如下步骤：

（1）铜膜沉积

将硅片放置在电子束蒸发镀膜机的载玻片上，溅射形成厚度为200+10nm的铜金属薄膜，表面为纳米级平整度；

（2）旋涂PMMA

将制备有铜金属薄膜的硅片置于匀胶机的真空吸盘上，使用胶头滴管在浓度为3%，分子量为950k的PMMA溶液里吸取少量液滴滴于硅片表面，并采用9000+200rpm的转速旋转成膜，然后180+20℃烘烤5~7min以去除薄膜内部溶剂，增加有机薄膜均匀性和紧密性；

（3）电子束辐照铜箔—PMMA

将步骤（2）旋涂PMMA薄膜后的硅片置于电子束真空曝光系统，曝光参数为30μm光阑、30kV电压、5000~10000μm/cm²剂量，曝光区域PMMA薄膜在电子束辐照下将实现有机分子裂解脱吸附和碳原子的排布重组，电子束斑点尺寸为1~3nm，有助于纳米级高分辨结构制备；

（4）丙酮显影