石墨烯-碳纳米管FET器件的加工方法与流程

本发明属于微纳加工、微纳装配技术领域，具体涉及一种石墨烯-碳纳米管fet器件的加工方法。

背景技术

纳米电极是电化学研究中新发展起来的一个领域。由于其具有常规电极无法比拟的优点：高传质速率、小时间常数、高信噪比、高电流密度，纳米电极被广泛应用在纳米生物传感器，单细胞分析,成像探针,电化学动力学研究等领域。当电极对之间的间隙达到纳米量级时，电极又被称为纳米间隙电极，纳米间隙电极是构建纳米尺度电路和设备的基础，它们成为检测纳米尺度材料，甚至是分子尺度材料特性的最为有效的工具。因此探索新的纳米电极材料，发展具有纳米间隙的纳米电极加工方法具有重要的理论研究和实际应用价值。

石墨烯由于其极高的迁移率、超强的力学性能以及良好的热化学稳定性等优点，被广泛的用作电极材料，如替代铟锡氧化物（ito）作为透明电极，制作有机发光二极管，太阳能电池，触摸屏等。由于石墨烯超薄的厚度以及与有机半导体良好的兼容性，使其非常适合作为有机半导体器件的电极材料。石墨烯纳米电极在基于介电层的电润湿（ewod）方面也表现出优异的性能。另外，利用石墨烯也可以对单分子进行检测，如当dna的碱基（a、c、g、t）通过石墨烯纳米孔时会引起石墨烯电导率变化，进而可以对dna分子进行测序。随着石墨烯制备及加工技术的发展，石墨烯必将成为构建具有纳米间隙的纳米电极的理想选择。

目前石墨烯的加工方法主要有以下几种：光刻，afm阳极氧化，stm刻蚀，离子束刻蚀，热驱动纳米粒子切割。当要加工具有纳米级间隙的成对石墨烯纳米电极时，现有方法大多存在精度低，容易污染样本，操作环境苛刻等问题。因此发展一种精确、简便、鲁棒性高的具有纳米间隙的石墨烯纳米电极加工方法成为当务之急。

与石墨烯相比，同样具有优异电学、力学、热学、光学性能的另一种碳纳米材料—单壁碳纳米管也广泛应用于fet及传感器的制作。单壁碳纳米管的功函数为4.7～5.1ev，石墨烯的功函数为4.7～4.9ev，相似的功函数可以极大地减少二者之间的接触电阻，更有益于构建更高性能的微纳电子设备。在使用单壁碳纳米管作为半导体材料的微纳电子设备制造方面，相对于金属材料电极，石墨烯纳米电极有着与生俱来的优势，发展一种技术将石墨烯和单壁碳纳米管有机可靠地集成将为构建体积更小、性能更高的微纳电子设备提供新途径，在科学研究和实际应用方面都显得至关重要。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种石墨烯-碳纳米管fet器件的加工方法。该方法通过控制afm探针与样本作用力，以及探针运动速度，利用计算机设计好探针运动路径对数百微米的石墨烯切割加工，实现具有纳米间隙的成对石墨烯纳米级电极加工。通过控制dep装配过程中施加的电压、频率、装配时间，以及调节单壁碳纳米管浓度，将单壁碳纳米管装配到石墨烯纳米电极上，完成石墨烯作为源、漏电极，单壁碳纳米管作为半导体材料的fet器件制作。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：石墨烯-碳纳米管fet器件的加工方法，包括以下步骤，

（1）、将石墨烯片装配到切割加工系统上；

（2）、对切割加工系统设定切割作用力、切割速度和切割路径；

（3）、启动切割加工系统将石墨烯片切割加工为石墨烯纳米带；

（4）、切断石墨烯纳米带，加工出电极前端宽度和电极对间隙均为纳米级别的石墨烯纳米电极；

（5）、建立单壁碳纳米管在非均匀电场中的受力模型；

（6）、将石墨烯纳米电极从切割加工系统上取下并放置到圆形样品平台上并进行负压固定，滴定单壁碳纳米管溶液在步骤（4）中石墨烯纳米电极切断后的纳米间隙处，完成石墨烯-碳纳米管fet器件制作。

步骤（1）中的切割加工系统包括驱动器、转接装置、探针安装夹、探针组件、xy向纳米移动平台和afm控制器；afm控制器通过控制线分别与驱动器和xy向纳米移动平台连接，驱动器通过转接装置与探针安装夹连接，探针组件安装在探针安装夹上，xy向纳米移动平台位于探针组件下方，xy向纳米移动平台上可拆卸连接有硅基芯片；硅基芯片包括二氧化硅层、硅掺杂层和一对金电极，二氧化硅层设置在硅掺杂层上，一对金电极设置在二氧化硅层顶部，金电极的上表面凸出于二氧化硅层的上表面，旋涂有pmma的待加工的石墨烯片平铺装配到一对金电极上；金电极用于后期开展器件性能测试，硅掺杂层作为后面制作的石墨烯-碳纳米管fet器件的栅极；pmma起到装配过程中维持石墨烯片完整的作用，利用丙酮可将pmma清除。

转接装置包括侧板，底板和四根插针，侧板垂直设置，侧板上开设有螺孔及减重孔，侧板通过穿过螺孔的螺栓与驱动器固定连接，侧板下侧边沿与底板的右侧边沿固定连接；侧板与底板之间成100°的夹角，四根插针上端固定连接在底板下表面四角处，其中一侧的两根插针通过过孔焊盘与底板上集成的印刷电路电连接，底板上集成的印刷电路通过信号线与驱动器信号输出端实现电连接。

探针安装夹包括基底和预紧弹簧片，基底左侧底部设置有凹槽，凹槽内固定有压电陶瓷；基底上设置有与四根插针一一对应插接配合的四个冠簧插孔，冠簧插孔通过过孔焊盘与压电陶瓷实现电连接，当插针与冠簧插孔处于插接配合状态时，驱动器通过信号线、插针、冠簧插孔将驱动信号传递给压电陶瓷；预紧弹簧片为阶梯型，预紧弹簧片右侧通过螺钉固定于基底上。

探针组件包括悬臂梁和针尖，悬臂梁的右侧位于压电陶瓷与预紧弹簧片之间，利用预紧弹簧片的预紧力将悬臂梁与基底固定连接，探针组件的弹性系数及针尖曲率半径可以根据实际加工需求进行合理选择；转接装置、探针安装夹、探针组件整体和驱动器相连接，构成afm的z向扫描器。

xy向纳米移动平台中部开设有第一负压孔，第一负压孔的上端口为上大下小的锥形孔，锥形孔与硅掺杂层接触，第一负压孔下端口连接有第一负压抽气系统，第一负压抽气系统通过第一负压孔抽吸空气使硅掺杂层牢靠地固定到xy向纳米移动平台上。

步骤（2）中对切割加工系统设定切割作用力的方式为：afm在切割石墨烯片的过程中，作用力fn根据下面的公式计算得出

其中cn是探针标定法向弹性系数，sz是psd灵敏度，由力曲线的斜率获得，vn为psd垂直偏转信号；从上面公式中可以看出作用力fn与vn成正比；

在石墨烯片上利用afm以不同的psd电压值vn从小到大和恒定的加工速度进行加工，加工出深度不同的纳米沟道，在afm轻敲模式下对沟道进行成像，获取沟道的深度信息，拟合出加工深度和psd电压值关系曲线，进而得到加工深度和作用力关系曲线；

步骤（2）中对切割加工系统设定切割速度的方式为：在石墨烯片上利用afm以不同的加工速度从小到大和恒定的加工作用力进行加工，加工出一系列的纳米沟道，在afm轻敲模式下对沟道进行成像，获取沟道的深度信息，拟合出加工深度和加工速度关系曲线；

步骤（2）中对切割加工系统设定切割路径的方式为：路径可根据需要由计算机进行图形化设计，先将石墨烯片加工成石墨烯微米带，进一步加工成石墨烯纳米带，最后切断石墨烯纳米带，完成石墨烯纳米电极加工。

步骤（3）和（4）的具体过程为：afm在轻敲模式下对待加工的石墨烯片进行扫描，获取石墨烯片尺寸大小及高度信息，也即是待加工深度；由待加工深度及尺寸信息根据设定的加工作用力和加工速度，按照设定的切割路径对石墨烯片进行切割，完成具有纳米间隙的成对石墨烯纳米级电极的切割加工。

步骤（5）的具体过程为：

单壁碳纳米管在非均匀电场中的受力模型为：

其中为单壁碳纳米管的体积因子，为c-m因子的实部，为电场的均方根值的梯度；

由下式得出：

其中为单壁碳纳米管沿长轴的退极化因子，p和m分别代表单壁碳纳米管和单壁碳纳米管所处中介；为介电常数的复数形式，包含介电常数，电导率及外部电场频率的信息；

从单壁碳纳米管在非均匀电场中的受力模型可以看出，在单壁碳纳米管溶液及外部电场频率确定的情况下，介电泳力f与电场平方的梯度成正比。

步骤（6）的具体过程为：

圆形样品平台中央以120°间隔分布有三个第二负压孔，第二负压孔连接有第二负压抽吸系统，第二负压抽吸系统通过第二负压孔抽吸空气使硅掺杂层牢靠地固定到圆形样品平台上，从而实现对石墨烯纳米电极样品的可靠固定；信号发生器通过信号线、两个三维微米平台与两个金属探针连接，通过调整两个三维微米平台，将与信号发生器连接的金属探针戳到金电极上；2μl经过超声处理的单壁碳纳米管溶液滴定到石墨烯纳米电极的纳米间隙处，通过信号发生器施加幅值为1-10v，频率为500hz-5mhz的交流电压信号；施加电压持续时间为3s；单壁碳纳米管装配到加工的石墨纳米电极上，形成以石墨烯作为源、漏电极，单壁碳纳米管作为半导体材料的fet器件。

采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

本发明通过控制afm垂直偏转信号以及加工速度，结合afm的精确定位功能，按照事先规划好的加工路径，实现具有纳米间隙的石墨烯纳米级电极加工。通过控制dep装配过程中施加的电压、频率、装配时间，以及调节单壁碳纳米管浓度，将单壁碳纳米管装配到石墨烯纳米电极上，完成石墨烯作为源、漏电极，单壁碳纳米管作为半导体材料的fet器件制作。该加工方法精度高、鲁棒性强、操作简单、灵活、成本低廉。本发明加工的具有纳米间隙的石墨烯纳米电极可以作为探针用于纳米点电特性测试，以及微环境中生物分子的检测，具有更高的灵敏度。本发明同时将单壁碳纳米管和石墨烯集成到微纳电子设备中，为构建体积更小、性能更高的微纳电子设备提供了新的途径。

附图说明

图1为本发明中切割加工系统的示意图；

图2为加工深度和加工作用力的关系曲线图；

图3为加工深度和加工速度的关系曲线图；

图4为afm加工石墨烯纳米电极的切割路径示意图；

图5为单壁碳纳米管与石墨烯纳米电极装配示意图；

图6为装配完成的石墨烯-碳纳米管fet器件的俯视示意图。

具体实施方式

如图1-图6所示，本发明的石墨烯-碳纳米管fet器件的加工方法，包括以下步骤，

（1）、将石墨烯片10装配到切割加工系统上；

（2）、对切割加工系统设定切割作用力、切割速度和切割路径；

（3）、启动切割加工系统将石墨烯片10切割加工为石墨烯纳米带19；

（4）、切断石墨烯纳米带19，加工出电极前端宽度和电极对间隙均为纳米级别的石墨烯纳米电极；

（5）、建立单壁碳纳米管在非均匀电场中的受力模型；

（6）、将石墨烯纳米电极从切割加工系统上取下并放置到圆形样品平台24上并进行负压固定，滴定单壁碳纳米管溶液在步骤（4）中石墨烯纳米电极切断后的纳米间隙22处，完成石墨烯-碳纳米管fet器件制作。

步骤（1）中的切割加工系统包括驱动器1、转接装置、探针安装夹、探针组件、xy向纳米移动平台14和afm控制器16；afm控制器16通过控制线分别与驱动器1和xy向纳米移动平台14连接，驱动器1通过转接装置与探针安装夹连接，探针组件安装在探针安装夹上，xy向纳米移动平台14位于探针组件下方，xy向纳米移动平台14上可拆卸连接有硅基芯片；硅基芯片包括二氧化硅层12、硅掺杂层13和一对金电极11，二氧化硅层12设置在硅掺杂层13上，一对金电极11设置在二氧化硅层12顶部，金电极11的上表面凸出于二氧化硅层12的上表面，旋涂有pmma的待加工的石墨烯片10平铺装配到一对金电极11上；金电极11用于后期开展器件性能测试，硅掺杂层13作为后面制作的石墨烯-碳纳米管fet器件的栅极；pmma起到装配过程中维持石墨烯片10完整的作用，利用丙酮可将pmma清除；

转接装置包括侧板2，底板3和四根插针4，侧板2垂直设置，侧板2上开设有螺孔及减重孔，侧板2通过穿过螺孔的螺栓与驱动器1固定连接，侧板2下侧边沿与底板3的右侧边沿固定连接；侧板2与底板3之间成100°的夹角，四根插针4上端固定连接在底板3下表面，其中一侧的两根插针4通过过孔焊盘与底板3上集成的印刷电路电连接，底板3上集成的印刷电路通过信号线与驱动器1信号输出端实现电连接。

探针安装夹包括基底5和预紧弹簧片7，基底5左侧底部设置有凹槽，凹槽内固定有压电陶瓷6；基底5上设置有与四根插针4一一对应插接配合的四个冠簧插孔，冠簧插孔通过过孔焊盘与压电陶瓷6实现电连接，当插针4与冠簧插孔处于插接配合状态时，驱动器1通过信号线、插针4、冠簧插孔将驱动信号传递给压电陶瓷6；预紧弹簧片7为阶梯型，预紧弹簧片7右侧通过螺钉固定于探针安装夹基底5上。

探针组件包括悬臂梁8和针尖9，悬臂梁8的右侧位于压电陶瓷6与预紧弹簧片7之间，利用预紧弹簧片7的预紧力将悬臂梁8与探针安装夹基底5固定连接，探针组件的弹性系数及针尖9曲率半径可以根据实际加工需求进行合理选择；转接装置、探针安装夹、探针组件整体和驱动器1相连接，构成afm的z向扫描器。

xy向纳米移动平台14中部开设有第一负压孔15，第一负压孔15的上端口为上大下小的锥形孔，锥形孔与硅掺杂层13接触，第一负压孔15下端口连接有第一负压抽气系统，第一负压抽气系统通过第一负压孔15抽吸空气使硅掺杂层13牢靠地固定到xy向纳米移动平台14上。afm控制器16连接到驱动器1以及xy向纳米移动平台14，在控制信号作用下，探针组件的针尖9对石墨烯片10样品进行高精度扫描和加工。

步骤（2）中对切割加工系统设定切割作用力的方式为：afm在切割石墨烯片10的过程中，作用力fn根据下面的公式计算得出

其中cn是探针标定法向弹性系数，sz是psd灵敏度，由力曲线的斜率获得，vn为psd垂直偏转信号；从上面公式中可以看出作用力fn与vn成正比；

在石墨烯片上利用afm以不同的psd电压值vn（从小到大）和恒定的加工速度（3μm/s）进行加工，加工出深度不同的纳米沟道，在afm轻敲模式下对沟道进行成像，获取沟道的深度信息，拟合出加工深度和psd电压值关系曲线，进而得到加工深度和作用力关系曲线，如图2所示。根据待加工石墨烯片厚度约为1.9nm，选取加工作用力为21.84μn，切割的沟道深度为2.5nm，此时既能保证将石墨烯片10被切断，又对二氧化硅层12的影响较小。

步骤（2）中对切割加工系统设定切割速度的方式为：在石墨烯片上利用afm以不同的加工速度（从小到大）和恒定的加工作用力（21.84μn）进行加工，加工出一系列的纳米沟道，在afm轻敲模式下对沟道进行成像，获取沟道的深度信息，拟合出加工深度和加工速度关系曲线，如图3所示。可以看出加工深度与加工速度没有特定关系。这里根据需要加工的石墨烯长度，选择3μm/s的加工速度。

步骤（2）中对切割加工系统设定切割路径的方式为：路径可根据需要由计算机进行图形化设计，先将石墨烯片10加工成石墨烯微米带17，进一步加工成石墨烯纳米带19，最后切断石墨烯纳米带19，完成石墨烯纳米电极加工。如图4所示，石墨烯片10装配到金电极11上，金电极11用于后期开展器件性能测试。针尖9在石墨烯片10上加工出纳米沟道18，同时将石墨烯片10切割成石墨烯微米带17。进一步在石墨烯微米带17上加工出纳米沟道20，形成石墨烯纳米带19。最后在石墨烯纳米带19上加工出纳米间隙22，形成石墨烯纳米电极对21。加工路径可由计算机事先设计、规划，石墨烯纳米电极终端的结构不局限于矩形结构，可以为三角形、圆弧状、叉指结构等。石墨烯纳米电极终端尺寸以及纳米间隙22尺寸可以通过选择具有不同弹性模量、针尖9曲率半径的探针组件，以及通过调整加工次数、路径等进行控制。

步骤（3）和（4）的具体过程为：afm在轻敲模式下对待加工的石墨烯片10进行扫描，获取石墨烯片10尺寸大小及高度信息，也即是待加工深度；由待加工深度及尺寸信息根据设定的加工作用力和加工速度，按照设定的切割路径对石墨烯片10进行切割，完成具有纳米间隙22的成对石墨烯纳米级电极的切割加工。

步骤（5）的具体过程为：

单壁碳纳米管在非均匀电场中的受力模型为：

其中为单壁碳纳米管的体积因子，为c-m因子的实部，为电场的均方根值的梯度；

由下式得出：

其中为单壁碳纳米管沿长轴的退极化因子，p和m分别代表单壁碳纳米管和单壁碳纳米管所处中介；为介电常数的复数形式，包含介电常数，电导率及外部电场频率的信息；

从单壁碳纳米管在非均匀电场中的受力模型可以看出，在单壁碳纳米管溶液及外部电场频率确定的情况下，介电泳力f与电场平方的梯度成正比。

步骤（6）的具体过程为：

圆形样品平台24中央以120°间隔分布有三个第二负压孔25，第二负压孔25连接有第二负压抽吸系统，第二负压抽吸系统通过第二负压孔25抽吸空气使硅掺杂层13牢靠地固定到圆形样品平台24上，从而实现对石墨烯纳米电极样品的可靠固定；信号发生器26通过信号线、两个三维微米平台28与两个金属探针27连接，通过调整两个三维微米平台28，将与信号发生器26连接的金属探针27戳到金电极11上；2μl经过超声处理的单壁碳纳米管溶液23滴定到石墨烯纳米电极的纳米间隙22处，通过信号发生器26施加幅值为1-10v，频率为500hz-5mhz的交流电压信号；施加电压持续时间为3s；单壁碳纳米管29装配到加工的石墨纳米电极上，形成以石墨烯作为源、漏电极，单壁碳纳米管29作为半导体材料的fet器件。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。