一种基于二维材料制备三维结构的方法与流程

本发明属于先进材料和人工微结构制造领域，具体涉及一种基于二维材料制备三维结构的方法。

背景技术：

二维材料指一类具有原子尺寸厚度，但是平面内尺寸可达微米的材料。典型的一种二维材料是石墨烯，单层的石墨烯材料只有单个碳原子的厚度，但其平面内可达数百微米。这种材料由于其特殊的性质，可以应用于先进半导体器件，功能材料等各个领域。二维材料的特殊的层状结构决定了其具有一定的维度不稳定性。类似于纸张，其容易在厚度方向进行弯折，从而形成不同的结构和形貌。二维材料类似于纸张，也可以进行剪纸和折纸的操作，从而形成不同的结构。这一过程也是材料从二维转变成三维的过程。在此过程中，由于材料维度的改变，会导致材料力学、热学、电学、光学等各种性质的剧烈变化。如果能够将其折叠过程进行可控的制备，则可以进行对材料性质的控制，从而根据需要来设计材料结构和性能。虽然如此，由于其折叠的不稳定性，目前还没有非常有效的方法来制备二维材料折叠形成的三维结构。为此，寻找有效、可控的制备二维材料的三维折纸结构是当前学术界研讨的热点问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于二维材料制备三维结构的方法，该方法首先利用“剪纸”的思路在二维材料上利用光刻的方法制备出图形，使二维材料具有镂空结构，最后利用“折纸”的思想对这一材料进行拉升或者压缩，从而获得所需的三维结构。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种基于二维材料制备三维结构的方法，包括以下步骤：

步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上制备二维材料；

步骤2，利用光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀设计的图形；

步骤3，根据刻蚀图形的不同，选择合适的固定位置和操作位置，使用光刻工艺，淀积金属材料；

步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行拉伸平移或压缩平移后弯折，使之变形，再使用机械挤压或热处理，使发生形变的部分定形；

步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。

作为改进的是，步骤1中二维材料为石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物或碲化物。

进一步改进的是，所述过渡金属硫族化合物为二硫化钼、二硫化钨或二硒化钼。

作为改进的是，步骤1中在衬底上制备二维材料的方法为化学气相沉积法或机械剥离法。

作为改进的是，步骤2中所述光刻技术为电子束光刻，半导体光刻技术或离子束直接刻蚀技术。

作为改进的是，步骤3中固定方法为溅射、蒸发或直写式材料淀积。

对二维材料进行局部处理，如步骤3的“局部”是指对材料的部分进行操作。为了防止二维材料和衬底之间因为相关操作发生相对移动，就先将二维材料部分固定，然后对材料的其他部分进行操作，包括拉伸，压缩，折叠等。

二维材料类似于普通纸，是二维平面，将它制备在衬底上，衬底主要是一个支撑作用。然后用光刻技术在二维材料平面上刻出图形，然后将其一部分固定，其他部分一拉伸或者压缩等操作，三维物体就出来了，再把得到的三维结构固定下来，因为二维材料具备一定的杨氏模量，不作处理的话，应力等因素会破坏三维结构。通过上述一系列处理后得到的三维结构具备新的物理特性。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种基于二维材料制备三维结构的方法具有如下优势：

1、本发明结合现有成熟的材料加工技术，形成各种复杂平面图形，且这些平面图形具有很好的灵活性适合用于制备不同的三维结构；

2、本发明结合三维模拟技术，对特定二维刻蚀的结构进行设计，然后进行三维结构的成型，所得三维结构精确，可控；

3、本发明成本低廉，方法简单，可大面积、大通量的制备，便于产业化；

4、本发明不限定二维材料的性质，取材广泛，应用具有通用性和普适性；

5、本发明方法尤其适合用于制备微米尺寸的结构，获得相应材料的新结构，从而得到新性能。

附图说明

图1为本发明一种基于二维材料制备三维结构的方法的流程图，其中，1-衬底，2-二维材料，4-黏附材料，5-拾取臂，6-热释放胶；

图2为实施例1中步骤2刻蚀的图形的俯视图，其中3-刻蚀后的平面图形。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的方法进行详细描述和说明。其内容是对本发明的解释而非限定本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示的流程图，一种基于二维材料制备三维结构的方法，包括以下步骤：

步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上通过化学气相沉积法制备二维材料，其中二维材料为石墨烯；

步骤2，利用半导体光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀图形；

步骤3，对衬底上的二维材料利用溅射法进行固定；

步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行向右侧拉伸；

步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。

其中，步骤4中利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取时，热释放胶可在二维材料的任意位置进行黏附，以便获得不同的效果，所述的任意位置可为二维材料的左边缘、右边缘、上边缘、下边缘或其组合。被黏附的二维材料部分可拉伸、压缩、切向或者这些方向的组合，以获得不同的三维结构。步骤5中将处理后的二维材料重新固定在衬底上，固定的位置为二维材料处理成三维结构的位置。

实施例2

一种基于二维材料制备三维结构的方法，包括以下步骤：

步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上通过化学气相沉积法制备二维材料，其中二维材料为二硫化钼；

步骤2，利用电子束光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀图形；

步骤3，对衬底上的二维材料利用溅射法进行固定；

步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行向右侧拉伸；

步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。

实施例3

一种基于二维材料制备三维结构的方法，包括以下步骤：

步骤1，选取洁净的衬底，并在衬底上通过化学气相沉积法制备二维材料，其中二维材料为六方氮化硼；

步骤2，利用离子束光刻技术在步骤1中制备的二维材料上刻蚀图形；

步骤3，对衬底上的二维材料利用溅射法进行固定；

步骤4，利用二维材料转移的方法对二维材料进行局部拾取，之后使其部分脱离衬底，并进行向右侧拉伸；

步骤5，将处理后的二维材料重新固定在衬底上，拾取臂释放处理后的二维材料，即得二维材料的三维结构。

本发明方法操作简单不限定二维材料的种类，制备的三维结构准确，可靠，适用领域广。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。