微气泡发生器及其制备方法

微气泡发生器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种微气泡发生器及其制备方法。微气泡发生器包括衬底、两个双层石墨烯电极和碳纳米管；两个双层石墨烯电极位于衬底上，电极间距为1～8μm，碳纳米管连接两个双层石墨烯电极，用作加热组件。制备方法包括如下步骤：在生长有双层石墨烯的金属箔表面旋涂PMMA；去除金属箔，将PMMA保护的双层石墨烯转移至衬底上，热处理使双层石墨烯与衬底紧密结合；除去PMMA；氧等离子体反应刻蚀双层石墨烯，得到两个双层石墨烯电极以及连接两个电极的双层石墨烯纳米带；在真空条件下进行退火处理，使双层石墨烯纳米带边缘闭合形成碳纳米管，完成微气泡发生器的制备。本发明降低了微气泡发生器的功耗，有效延长了微气泡发生器的寿命，且器件结构简单，设计灵活。
【专利说明】微气泡发生器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微机电系统【技术领域】，更具体地，涉及一种微气泡发生器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]微气泡发生器由基底、加热元件和电极三部分组成，固定于电极间的加热元件产生的巨大焦耳热使液体加热而产生气泡。微气泡发生器不仅是热气泡式热喷印系统的核心，而且还可以作为气泡致动器、气泡阀和气泡动力泵等广泛应用于MEMS领域和微流体系统中。例如，微气泡发生器产生气泡驱动液体在毛细管道中流动，作为致动器用于微生物混合系统，以及捕获微生物颗粒等。
[0003]现有的微气泡发生器都米用或部分米用金属材料,器件的功耗较高，同时，由于金属材料在液体环境下容易受到电化学腐蚀，器件的使用寿命不长。

【发明内容】

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微气泡发生器及其制备方法，以碳纳米管为加热组件，以石墨烯为电极材料，克服了传统金属电极微气泡发生器功耗高、易腐蚀的缺点，降低了微加热器的接触电阻，从而降低了微气泡发生器的功耗，有效延长了微气泡发生器的寿命，且器件结构简单，设计灵活，具有良好的高频响应和密集集成潜力，在先进制造领域具有广泛的应用前景。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微气泡发生器，其特征在于，包括衬底、两个双层石墨烯电极和碳纳米管；所述两个双层石墨烯电极位于所述衬底上，电极间距为I?8μπι，所述碳纳米管连接所述两个双层石墨烯电极，所述碳纳米管用作加热组件。
[0006]按照本发明的另一方面，提供了一种微气泡发生器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:(I)在生长有双层石墨烯的金属箔表面旋涂PMMA ; (2)去除金属箔，将PMMA保护的双层石墨烯转移至衬底上，热处理使双层石墨烯与衬底紧密结合；(3)除去PMMA ; (4)氧等离子体反应刻蚀双层石墨烯，得到两个双层石墨烯电极以及连接两个电极的双层石墨烯纳米带；(5)在真空条件下进行退火处理，使双层石墨烯纳米带边缘闭合形成碳纳米管，完成微气泡发生器的制备。
[0007]优选地，所述步骤(2)中，所述热处理的温度为150°C，时间为lOmin。
[0008]优选地，所述步骤(4)中，所述两个双层石墨烯电极的间距为I?8μπι，所述双层石墨烯纳米带的宽度为10?40nm。
[0009]优选地，所述步骤(5)中，升温速率为130?850°C /ns，最高温度为1300?1700。。。
[0010]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:[0011 ] (I)避免使用金属材料，分别以碳纳米管和石墨烯为加热组件和电极材料，利用碳纳米管良好的微波传导特性以及石墨烯良好的导电性，形成碳-碳接触，降低了微加热器的接触电阻，从而降低了微气泡发生器的功耗。
[0012](2)碳基材料性质稳定，不易受到电解或腐蚀，有效延长了微气泡发生器的寿命。
[0013](3)碳纳米管和石墨烯均具有良好的高频导电性，且二者接触的肖特基势垒较低，因此，器件具有良好的高频导电性，有利于提高微气泡发生器的频率响应。
[0014](4)器件结构简单，设计灵活，二维结构的生产工艺有利于提高微气泡发生器的加工精度和集成度。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1是本发明实施例的微气泡发生器的制备方法流程图；
[0016]图2是本发明实施例的微气泡发生器的制备方法的工艺流程示意图，其中，(a)旋涂PMMA ； (b)将PMMA保护的双层石墨烯转移到衬底上；(c)除去PMMA ；(d)刻蚀得到两个双层石墨烯电极以及连接两个电极的双层石墨烯纳米带；(e)通过退火使双层石墨烯纳米带的边缘闭合得到碳纳米管。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0018]碳纳米管(CNT)是一种结构优良的微波导体，一维管状结构引起的径向声子散射限制了碳纳米管的径向散射，轴向热传导使碳纳米管产生高密度的焦耳热。石墨烯作为一种二维单层材料，其带隙为零，电子传输速度快，具有良好的导电性。本发明利用碳纳米管良好的微波传导特性以及石墨烯良好的导电性，形成碳-碳接触，降低了微气泡发生器的功耗，且由于碳基材料性质稳定，不易受到电解或腐蚀，有效延长了微气泡发生器的寿命。此外，制备工艺简单，并具有良好的高频响应和密集集成潜力，在先进制造领域具有广泛的应用前景。
[0019]如图1和图2所示，本发明实施例的微气泡发生器的制备方法包括如下步骤:
[0020](I)在生长有双层石墨烯11的金属箔I的表面旋涂一层PMMA4，如图2 (a)所示。[0021 ] (2 )用氯化铁或过硫酸铵溶液腐蚀掉金属箔I，得到PMMA4保护的双层石墨烯11，用去离子水清洗后，转移至按标准CMOS工艺清洗干净的衬底2上，热处理使双层石墨烯11与衬底2紧密结合，如图2 (b)所示。
[0022](3)丙酮浸泡除去PMMA4，得到转移到衬底2上的双层石墨烯11，如图2 (C)所示。
[0023](4)氧等离子体反应刻蚀双层石墨烯11，得到两个双层石墨烯电极以及连接两个电极的双层石墨烯纳米带，如图2 (d)所示。
[0024]两个电极间距为I?8μπι，间距太小，容易造成电极间短路，且加热部分太小，导致产生的能量有限，气泡太小；间距太大，器件集成度降低。纳米带宽度为10?40nm，纳米带太窄，宽度难以控制；纳米带太宽，边缘闭合后难以形成典型碳纳米管结构。[0025](5)在真空条件下进行退火处理，升温速率为130?850°C /ns,最高温度为1300?1700°C，使双层石墨烯纳米带克服弯曲能量势垒，边缘闭合，得到碳纳米管131，如图2 (e)所示，完成微气泡发生器的制备。
[0026]升温速率过低，温度过低，碳原子没有足够的活性能量越过边界卷曲闭合的势垒，石墨烯纳米带难以形成闭合碳纳米管结构；升温速率过高，温度过高，碳原子活性能量太闻，容易破坏器件结构的稳定性。
[0027]如图2 Ce)所示，本发明实施例的微气泡发生器包括衬底2，两个双层石墨烯电极132和133，以及碳纳米管131。衬底2为玻璃或生长有氧化层的硅片，石墨烯电极132和133位于衬底2上，电极间距为I?8μπι，碳纳米管131连接石墨烯电极132和133。
[0028]为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的微气泡发生器的制备方法进行详细说明。
[0029]实施例1
[0030]微气泡发生器的制备方法包括如下步骤:
[0031](I)在生长有双层石墨烯的铜箔表面旋涂一层厚约200nm的PMMA。
[0032](2)用0.5mol/L的过硫酸铵溶液腐蚀掉金属箔，得到PMMA保护的双层石墨烯，用去离子水清洗3次后，转移至按标准CMOS工艺清洗干净的衬底上，吹干后在150°C下烘烤IOmin,使双层石墨烯与衬底紧密结合。
[0033](3)丙酮浸泡Ih除去PMMA，得到转移到衬底上的双层石墨烯。
[0034](4)用氧化硅纳米线覆盖双层石墨烯作为掩膜版，氧等离子体反应刻蚀双层石墨烯，得到两个双层石墨烯电极以及连接两个电极的双层石墨烯纳米带，两个电极间距为Iym,纳米带宽度为10nm。
[0035](5)在真空条件下进行退火处理，升温速率为850°C /ns，最高温度为1300°C，使双层石墨烯纳米带的边缘闭合得到碳纳米管，完成微气泡发生器的制备。
[0036]实施例2
[0037]微气泡发生器的制备方法包括如下步骤:
[0038](I)在生长有双层石墨烯的铜箔表面旋涂一层厚约200nm的PMMA。
[0039](2)用0.5mol/L的过硫酸铵溶液腐蚀掉金属箔，得到PMMA保护的双层石墨烯，用去离子水清洗4次后，转移至按标准CMOS工艺清洗干净的衬底上，吹干后在150°C下烘烤IOmin,使双层石墨烯与衬底紧密结合。
[0040](3)丙酮浸泡Ih除去PMMA，得到转移到衬底上的双层石墨烯。
[0041](4)用氧化硅纳米线覆盖双层石墨烯作为掩膜版，氧等离子体反应刻蚀双层石墨烯，得到两个双层石墨烯电极以及连接两个电极的双层石墨烯纳米带，两个电极间距为8 μ m,纳米带宽度为40nm。
[0042](5)在真空条件下进行退火处理，升温速率为130°C /ns，最高温度为1700°C，使双层石墨烯纳米带的边缘闭合得到碳纳米管，完成微气泡发生器的制备。
[0043]本发明分别以碳纳米管和石墨烯为加热组件和电极材料，使二者形成碳-碳接触，降低了微气泡发生器的功耗，由于碳基材料性质稳定，有效延长了微气泡发生器的寿命。此外，碳纳米管和石墨烯均具有良好的高频导电性，且二者接触的肖特基势垒较低，因此，器件具有良好的高频导电性。[0044]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种微气泡发生器，其特征在于，包括衬底、两个双层石墨烯电极和碳纳米管；所述两个双层石墨烯电极位于所述衬底上，电极间距为I?8μπι，所述碳纳米管连接所述两个双层石墨烯电极，所述碳纳米管用作加热组件。
2.如权利要求1所述的微气泡发生器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)在生长有双层石墨烯的金属箔表面旋涂PMMA； (2)去除金属箔，将PMMA保护的双层石墨烯转移至衬底上，热处理使双层石墨烯与衬底紧密结合； (3)除去PMMA ； (4)氧等离子体反应刻蚀双层石墨烯，得到两个双层石墨烯电极以及连接两个电极的双层石墨烯纳米带； (5)在真空条件下进行退火处理，使双层石墨烯纳米带边缘闭合形成碳纳米管，完成微气泡发生器的制备。
3.如权利要求2所述的微气泡发生器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述热处理的温度为150°C，时间为lOmin。
4.如权利要求2或3所述的微气泡发生器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述两个双层石墨烯电极的间距为I?8μπι，所述双层石墨烯纳米带的宽度为10?40nm。
5.如权利要求2至4中任一项所述的微气泡发生器的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，升温速率为130?850°C /ns，最高温度为1300?1700°C。
【文档编号】B81B7/02GK103832963SQ201410017400
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】周文利, 邓武竹 申请人:华中科技大学