一種由金屬輔助的二維材料納米帶的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于微納尺度器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種由金屬輔助的二維材料納米帶 的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 二維材料(2DM)因?yàn)榫邆湟恍﹥?yōu)異的性能，在射頻電子器件、邏輯電子器件、光電 或發(fā)光器件、柔性電路等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。對于已經(jīng)被刻蝕成一定形狀的二維材 料，如果在其邊緣處施加應(yīng)力，那么其邊緣處往往傾向于形成能量更低的穩(wěn)定空間形態(tài)，即 卷曲物。這些卷曲物的寬度可以低至IOOnm以下，這個寬度與二維材料納米帶的寬度相當(dāng)。 二維材料納米帶具有與大面積的二維材料不同的性質(zhì)，如:大面積單層石墨稀不存在能帶 帶隙，而其納米帶則可具有一定的帶隙。目前，制備二維材料納米帶的方法主要有：電子束 光刻法、超聲離心法、化學(xué)自組裝法、碳納米管拉鏈法等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提出一種由金屬輔助的二維材料納米帶的制備方法。
[0004] 本發(fā)明提出的二維材料納米帶的制備方法，包含的主要步驟如下：
[0005] 1)選擇合適的襯底，在其表面生長二維材料，將二維材料轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上。
[0006] 由于生長不同的二維材料所需的襯底不同，所以需要采用的轉(zhuǎn)移方法也不同：
[0007] a)對于可以使用濕法腐蝕法溶解的襯底，使用濕法轉(zhuǎn)移法將其轉(zhuǎn)移至絕緣襯底 上，即：使用易溶于丙酮等有機(jī)溶劑的有機(jī)聚合物作為支撐膜，將二維材料轉(zhuǎn)移到絕緣襯底 表面；
[0008] b)對于無法使用濕法腐蝕法溶解的襯底，則只能使用干法轉(zhuǎn)移法來轉(zhuǎn)移，即：使用 具有一定硬度、不易發(fā)生太大形變的、易溶于丙酮等有機(jī)溶劑的有機(jī)聚合物作為支撐膜，將 二維材料從原襯底上揭下，并轉(zhuǎn)移到絕緣襯底表面;所使用的絕緣襯底可以是整體絕緣材 料，也可以只是在襯底表面有絕緣層。
[0009] 2)在上述二維材料上選擇合適的位置，刻蝕成矩形二維材料。可以通過聚焦離子 束制備，也可以利用普通光刻和刻蝕的方法得到。隨后在樣品表面旋涂光刻膠，使用光刻的 方法將二維材料表面的正上方的光刻膠除去，形成的光刻膠窗口的圖形及尺寸與矩形二維 材料完全一致，如圖1。使用熱蒸發(fā)在樣品表面淀積較薄的金屬（2~8nm)，則得到矩形的金 屬/2DM的雙層納米結(jié)構(gòu)。熱蒸發(fā)完畢后，矩形的金屬/2DM雙層納米結(jié)構(gòu)的短邊邊緣將形成 金屬/2DM的納米卷。最后，將整個樣品浸泡在丙酮中，并使用剝離工藝將光刻膠上方的多余 金屬除去。若要制備位置可控的納米帶陣列，則需制作相應(yīng)的矩形金屬/2DM的雙層納米結(jié) 構(gòu)陣列，如圖2。
[0010] 金屬/2DM的納米卷的形成的原因如下:光刻膠被曝光后的邊緣具呈現(xiàn)上寬下窄結(jié) 構(gòu)，于是淀積的金屬會在光刻膠邊緣處自然分離，則形成了矩形的金屬/2DM雙層納米結(jié)構(gòu)。 當(dāng)熱蒸發(fā)完畢后腔體內(nèi)溫度下降，而二維材料與金屬的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，于是在 邊緣處產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，最后金屬/2DM雙層納米結(jié)構(gòu)邊緣通過形成卷曲釋放應(yīng)力，形 成金屬/2DM的納米卷，并在空間上呈現(xiàn)2DM/金屬/2DM……金屬/2DM的間隔分布結(jié)構(gòu)，如圖 3〇
[0011] 矩形的長邊邊長記為a，短邊邊長記為b，為了保證后續(xù)步驟中金屬/2DM的納米卷 較容易地形成，并且該金屬/2DM的納米卷總是在短邊處形成，該矩形需滿足如下條件:b < 4 mi且如果矩形邊長較大，則金屬在收縮過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力則不足以使金屬/ 2DM的雙層納米結(jié)構(gòu)邊緣發(fā)生卷曲；如果矩形的長邊和短邊相差不大，則無法保證金屬/2DM 的納米卷總是在短邊邊緣處形成，就無法控制金屬/2DM納米卷產(chǎn)生的位置。
[0012] 使用的金屬應(yīng)具有較大的熱膨脹系數(shù)，可以是鐵、鎳、鈀、金、銅、銀、鋪、錯、祕、鎂 或鋅等。
[0013] 3)使用等離子體充分刻蝕位于最外層的二維材料，則最外層的材料變?yōu)樵饘? 2DM雙層納米結(jié)構(gòu)中的金屬：
[0014] 應(yīng)根據(jù)二維材料種類選擇合適的等離子體，一般使用O2等離子體，但也可以是 CHF3、XeF2、Cl2、Ar等氣體的等離子體。
[0015] 由于金屬/2DM雙層納米結(jié)構(gòu)中的金屬較薄，為了有效刻蝕二維材料而不損傷金 屬，等離子刻蝕所使用的相關(guān)參數(shù)應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)：RIE功率Pr 1W^范圍為5~100W; ICP功率Pkp的范圍為10~150W;刻蝕時間t的范圍5~120s。
[0016] 4)選擇合適的溶液將最外層的金屬溶解，然后使用去離子水洗凈并使樣品干燥：
[0017] 溶解金屬的溶液需根據(jù)金屬種類來選擇，而且不能與二維材料發(fā)生反應(yīng)或?qū)ΧS 材料造成破壞，也不會在襯底表面引入后續(xù)步驟無法除去的污染物。
[0018] 使用去離子水清洗是為了除去襯底表面沾有的溶解金屬的溶液，以及金屬溶解后 的相關(guān)生成物等。
[0019] 使樣品干燥的方法可以是自然風(fēng)干、加熱或氮?dú)鈽尨蹈傻取?br>[0020] 5)確定此時襯底表面是否只剩下二維材料;若還有2DM/金屬/2DM……金屬/2DM的 結(jié)構(gòu)存在，則回到步驟3)再次對樣品進(jìn)行處理，直到襯底表面只剩下二維材料。步驟3)到5) 的處理過程示意如圖4。經(jīng)過這些過程后，金屬/2DM的雙層納米結(jié)構(gòu)中未卷曲的部分也會被 完全除去，這時就在絕緣襯底表面得到了二維材料的納米帶：
[0021] 確定襯底表面是否只剩下二維材料的方法有:X射線光電子能譜(XPS)、x射線能譜 (EDS)、x射線熒光光譜(XRF)、能量散射型X射線熒光光譜(EDX)、俄歇電子能譜(AES)、透射 電鏡(TEM)、掃描透射顯微鏡(STEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、拉曼光譜 等。
[0022] 襯底表面只剩下二維材料納米帶的相應(yīng)標(biāo)志為:對于XPS、EDS、XRF、EDX、AESJ^f 底表面的測定結(jié)果中，所使用的金屬譜線強(qiáng)度比之前的測定結(jié)果有明顯下降；對于TEM、 STEM、STM，在原納米卷處能觀察到純凈的二維材料晶格;對于AFM，雙層納米卷處測得的高 度與相應(yīng)二維材料對應(yīng)的高度一致;對于拉曼光譜，當(dāng)光斑打在納米卷處，觀察不到金屬對 拉曼光譜的抬升作用。
[0023] 上述二維材料是指石墨?。╣raphene)、娃?。╯ilicene)、鍺?。╣ermanene)、黑磷 (BP)、氮化硼(BN)、過渡金屬硫族化合物(TMDC)、金屬碳化物或金屬氮化物(MXene)、拓?fù)浣^ 緣體(Bi2Se3、Bi2Te3、Sb 2Te3)等。
[0024] 上述生長二維材料的襯底可以是各種金屬單質(zhì)、金屬合金、金屬氧化物、硅、鍺、硅 鍺合金、氧化硅、金屬硅化物、碳化硅、金屬碳化物、玻璃、石英、云母、各種有機(jī)物、金屬有機(jī) 物、尚分子聚合物等。
[0025] 上述用于溶解金屬的酸溶液可以是各種酸溶液、混合酸溶液、鹽溶液，以及其它具 有氧化性的溶液等。
[0026] 本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)：本發(fā)明基于二維材料邊緣容易發(fā)生卷曲這一現(xiàn)象，通過金屬 的輔助，制備矩形的金屬/二維材料的雙層納米結(jié)構(gòu)，從而在其邊緣形成金屬/二維材料的 納米卷。該卷曲物的寬度一般可在IOOnm以下，通過對其反復(fù)使用等離子體刻蝕和濕法腐蝕 金屬的方法，最終可以制備寬度為30~80nm的二維材料納米帶。相對于其他制備二維材料 納米帶的技術(shù)，本發(fā)明不需要使用高精度的電子束曝光機(jī)，而且所制備的二維材料納米帶 位置可控。
【附圖說明】
[0027] 圖1為矩形二維材料及與其尺寸完全一致的光刻膠窗口的示意圖；
[0028]圖2為矩形金屬/2DM雙層納米結(jié)構(gòu)陣列的示意圖；
[0029]圖3為矩形金屬/2DM雙層納米結(jié)構(gòu)的短邊邊緣處形成的金屬/2DM納米卷示意圖； [0030]圖4為由金屬/2DM納米卷制備二維材料納米帶的示意圖，其中（a)為充分刻蝕最外 層的二維材料；（b)為充分溶解最外層的金屬；（c)為反復(fù)進(jìn)行二維材料的刻蝕和金屬的溶 解后，只剩下底部的2DM/金屬/2DM……金屬/2DM的結(jié)構(gòu)；（d)為二維材料納米帶；
[0031] 圖中1一金屬/2D