一种悬浮多电极范德华异质结电子器件及其制备方法

1.本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种悬浮多电极范德华异质结电子器件及其制备方法。


背景技术：

2.纳米机电系统(英文名nano-electromechanical system，简称nems)，是特征尺寸在几十至几百纳米，以机电结合为主要特征，基于纳米级结构光、电、力耦合效应的器件和系统。在nems的概念出现之前，微米级机电系统(mems)是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到科技、经济和国防安全的关键技术。主要用在精密仪器的压电元件，汽车中的自动控制系统和安全防护系统，生物医学上的精密测量等。汽车中的陀螺仪就是用来控制汽车倾斜及动态稳定的微米级机电系统。随着人们对纳米材料不断地深入研究和纳米加工技术的进步，以及mems已经无法满足诸多领域现代科技发展的需求，nems的提出和实现在体积和功能上有独特的优越性，具有广阔的未来的应用前景。
3.虽然nems具备器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等优良特点，然而截止目前，实现基于二维材料的悬浮微纳电子器件通常所采用的工艺较为复杂，例如需采用超临界点干燥机等条件，器件良率较低。因此开发新的技术、减少加工工艺的复杂性、以及降低实验环境是当前首要攻克的难题。
4.由于二维材料层间较弱的范德华力，使得不同层状材料之间相互堆垛时无需考虑晶格匹配即可进行界面耦合。因此，基于范德华异质结的悬浮电子器件仅需采用范德华堆垛、微纳加工、以及刻蚀等简易的工艺手段便可实现可阵列化批量制备。该方法操作简单，可大幅度提升制备效率，并且可脱离超临界点干燥机的制约，不仅可以进一步提高器件的集成度、可测量度等性能，在谐振式传感器、微纳检测等方面具有很大的应用潜力；其次还具有以下特性：(一)极小的体积和质量，使其直接应用于航空航天、生物医疗等精密仪器中；(二)极快的响应速度和极高的谐振频率，使其成为高频技术研发的候选者；(三)将其作为纳米级探测器，用于探测极其微弱的物理量(质量吸附、应力、电磁场等)变化。截至目前，一种高效率批量制备悬浮多电极范德华异质结材料电子器件的方法尚未见报导。


技术实现要素：

5.本发明利用二维层状材料实现悬浮式电子器件，提供了一种悬浮多电极范德华异质结电子器件及其制备方法，解决了二维材料悬浮电子器件良率低、难以实现多电极悬浮等问题。本发明悬浮式范德华电子器件具有体积小、重量轻、耗能低、谐振频率高、响应时间短等优异性能，可进一步集成至模块化电路。本发明制备方法简单且高效率，可适用于各种层状功能材料异质结，可利用二维功能材料对电、热、力、光场的响应进行微纳电子器件的设计与加工，拓展了二维功能材料在nems系统中的应用前景。
6.为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
7.本发明一方面提供了一种悬浮多电极范德华异质结电子器件，其包括驱动电极、
阵列孔洞支撑层和范德华异质结；所述驱动电极为最底层，在其上面附着有阵列孔洞支撑层，范德华异质结悬浮于阵列孔洞支撑层之上。
8.上述悬浮多电极范德华异质结电子器件中：
9.优选地，所述阵列孔洞支撑层为六方氮化硼。更优选地，所述六方氮化硼的厚度为100-1000nm。
10.优选地，所述范德华异质结为带有导电二维层状材料的异质结构，其中导电二维层状材料为石墨烯、少层石墨烯、薄层石墨、二维过渡金属硫族化合物、黑磷、二维磁性材料、二维铁电材料中的一种。
11.优选地，所述驱动电极为任意金属性导电材料。更优选地，所述驱动电极为ti/au电极。
12.本发明另一方面提供了上述悬浮多电极范德华异质结电子器件的制备方法，包括如下步骤：通过“自上而下”垂直堆叠将范德华异质结悬浮于带有底栅的阵列孔洞支撑层表面，再利用反应离子刻蚀方法对悬浮区域进行图案化处理，得到悬浮多电极范德华异质结电子器件。
13.进一步，所述范德华异质结为带有导电二维层状材料的异质结构，其中导电二维层状材料为石墨烯、少层石墨烯、薄层石墨、二维过渡金属硫族化合物、黑磷、二维磁性材料、二维铁电材料中的一种。
14.进一步，所述阵列孔洞支撑层材料为厚度为100-1000nm的六方氮化硼。
15.进一步，所述底栅为任意金属性导电材料。
16.进一步，所述范德华异质结采用干法转印制得。
17.进一步，所述阵列孔洞采用反应离子刻蚀法获得。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
19.1、该方法加工过程无需借助超临界点干燥仪，成品率高达90％以上；
20.2、该方法借助多功能二维材料可用于制备天然纳米谐振器、超快热辐射器、纳米光机电耦合系统、光子晶体等；
21.3、该型器件多电极、阵列化制备，可用于未来研究二维层状材料量子霍尔边界态、谷霍尔态等新奇电子态及其光学自由度与机器谐振子的耦合。
22.4、该全二维阵列化纳米器件的制备，有利于未来集成至模块化电路的发展。应用于高精度真空压力传感器、新材料nems微电机系统、纳米探针探测系统。
附图说明
23.图1为本发明悬浮多电极范德华异质结电子器件结构示意图；
24.图2为本发明悬浮多电极范德华异质结电子器件制备流程示意图；
25.图3为实施例1中以磁性二维材料为功能层的悬浮两端电极范德华异质结电子器件结构；
26.图4为实施例2中以石墨烯/六方氮化硼异质结为悬浮层的悬浮两端电极范德华异质结电子器件结构阵列光学照片图及其共振谱线；
27.图5为实施例2中悬浮多电极(6电极霍尔条)范德华异质结电子器件结构扫描电镜显微图。
具体实施方式
28.以下所述实例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但并不限制本发明专利的保护范围，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。
29.以下实施例中粘性聚合物均采用pdms/ppc双层结构的粘性聚合物。真空退火过程中真空度不低于10-3
mbar，以防止样品在高温下样品发生退化，或表面改性。退火处理的退火温度不低于100℃，以确保样品表面聚合物可全部挥发。
30.实施例1
31.将氮化硼/石墨烯/次氯酸铬(h-bn/g/crocl)异质结构转移至带有阵列孔洞(孔深为300nm)的氮化硼表面，并以ti(5nm)/au(30nm)电极作为机械振动驱动电极所制备的悬浮多电极范德华异质结电子器件，如图3所示。
32.根据图2所示的流程图，将厚度约为400nm的六方氮化硼采用反应离子刻蚀技术进行刻蚀孔洞处理，孔洞尺寸为直径r为3μm的圆孔；采用粘性聚合物将其转移至ti(5nm)/au(30nm)电极表面，并进行真空退火处理；随后采用粘性聚合物将氮化硼/石墨烯/次氯酸铬异质结构转移至孔洞表面，并真空退火去除表面残留聚合物，与孔洞氮化硼形成范德华异质结构；随后进行电极的蒸镀与热发射区域的图形化处理，得到悬浮多电极范德华异质结电子器件。
33.其中，图3a为该器件的光学照片，图3b为器件的sem扫描图，标尺为10μm。图3c为温度在5k时，悬浮氮化硼/石墨烯/次氯酸铬异质结构的机械共振频率随磁场的变化曲线，零场下共振频率为～55mhz；由于crocl为反铁磁材料，发生反铁磁-铁磁相变时，共振频率在相变点发生了～1.4％的蓝移。
34.实施例2
35.将氮化硼/石墨烯(h-bn/g)异质结构转移至带有阵列孔洞(孔深为300nm)的氮化硼表面，并以ti(5nm)/au(30nm)电极作为机械振动驱动电极所制备的悬浮多电极范德华异质结电子器件，如图4所示。
36.根据图2所示的流程图，将厚度约为300nm的六方氮化硼采用反应离子刻蚀技术进行刻蚀孔洞处理，孔洞尺寸为孔洞尺寸为1
×
4μm2；采用粘性聚合物将其转移至ti(5nm)/au(30nm)电极表面，并进行真空退火处理；随后采用粘性聚合物将氮化硼/石墨烯异质结构转移至孔洞表面，并真空退火去除表面残留聚合物，与孔洞氮化硼形成范德华异质结构；随后进行电极的蒸镀与热发射区域的图形化处理，得到悬浮多电极范德华异质结电子器件。
37.其中，图4a为该器件的光学照片，图4b为室温下悬浮异质结的共振频率随驱动电压vg的变化曲线，共振频率～115.2mhz，品质因子～697。