专利名称：在合适基材上固定薄片状材料的片层的方法
在合适基材上固定薄片状材料的片层的方法本发明涉及在合适基材上固定薄片状材料的片层(lamellae)的方法。
背景技术：
适用于表达特定晶体结构的材料是已知的，在该特定晶体结构中，原子优先排列 在原子薄平面结构或“片层”中，在该“片层”中，所述原子牢固地结合在一起，但是在两个 相邻片层的原子之间也发生较弱的结合。该片层的厚度可以是一或几个单原子层。各种材料例如半导体材料(如InSe或GaS)和金属材料、超导体(如石墨、NbSe2、 1~必2或1%82)可适用于表达片层结构。更具体参照石墨烯(graphene)，用于机械分离片层 的方法是已知的，该方法包括或者劈开(cleave)或者刮开(scrape) —片石墨，或者向一片 石墨施加粘合带(adhesive tape)，并撕掉它。然后必需使用光学显微镜来寻找从这片石墨 上分离的石墨烯片层。为了处理或加工这些石墨烯片层，特别是为了防止它们卷起，接着应 当，例如使用树脂，将该片层固定在基材上，这是很困难的。这些方法重复性差，并且不适于 大规模生产。发明目的本发明的目的是提供一种将片层固定在合适基材上的方法，该方法特别适用于导 电或半导电的片层材料。发明简述为了达到该目的，本发明提供了一种将至少部分导电的片层材料固定到绝缘基材 上的方法，所述绝缘材料包含适合于解离成给定电荷的可移动离子和相反电荷的固定离子 的氧化物，所述方法包括以下步骤将片层材料的样品放置在所述基材的表面上；使所述基材的氧化物解离；以及通过与所述基材接触的电极和与所述样品接触的电极向所述基材和样品施加电 场。所述基材中氧化物的解离使所述基材弱导电，且足以导通施加电场时在电极之间 产生的电流。在电场的作用下，可移动的离子向与基材接触的电极迁移，并在适当位置留下 带有相反电荷的固定离子，从而在所述基材和所述样品之间的界面上产生电荷。在施加电 场一定时间后，与所述基材接触的样品片层牢固地结合到所述基材上。然后，足以除去大部分样品，以仅仅留下结合在所述基材上的薄层。该薄层包含与 所述基材接触且牢固地与之结合的一些片层以及覆盖在结合到所述基材上的片层之上、且 至少部分较不牢固地结合到所述基材上的其它片层(它适合，例如通过剥离来除去)。这样 在所述基材的表面上留下了厚度为几个原子甚至仅仅一个原子的薄层。在没有使用粘合剂的情况下，可在几分钟内达到该固定。这是非常便宜的且容易 工业化。该方法相比已知的固定方法，例如使用树脂进行粘合的方法、以及沉积单晶层的方 法或者在基材表面上生长晶体的方法(如蒸发方法、分子束方法、激光溅射法等等)都具有 竞争力。以这种方法固定在基材上的薄层尺寸很大程度上取决于所用材料。优选用具有良好晶体品质的材料如单晶材料作为原料。以这种方法固定在所述基材上的片层可进行光刻处理，以将它们结合到电子设备 中。附图简述可以参照附图结合下述说明更好地理解本发明，其中
图1是实施本发明方法的装置的示意图；以及图2是石墨烯片层固定在玻璃基材上的高倍放大图。发明的详细说明在获得石墨烯片层的下文中详细描述本发明方法。如图1所示，石墨样品1放置在玻璃基材(硼硅酸盐玻璃，商品名“Pyrex 7740”) 2上。在该实例中，使用面积约为4平方厘米的基材2，且样品1的面积约为1平方厘米。为了保证所述样品1和所述基材2之间有良好的接触，劈开所述样品1以向着所 述基材2露出干净且没有杂质的表面，同时用溶剂(三氯乙烯、丙酮和甲醇)清洁所述基材 2的表面。阴极3放置在所述玻璃基材2上，同时阳极4放置在所述石墨样品1上。所述阴 极3和阳极4连接到电源5。所述组件放置在压机6下，以向所述玻璃基材2压迫所述石墨 样品1。施加数量级为IO6帕斯卡的压力以保证所述玻璃基材2和所述样品1之间的均勻 接触。例如通过将组件置于外壳(enclosure)并加热该外壳将所述基材2的温度提高到 约200°C。向该组件施加约1. 7千伏的电场。在该温度下，玻璃基材的碱金属氧化物Na2O解离成钠阳离子Na+和氧阴离子02_。 在电场的作用下，可移动的钠阳离子向着阴极3迁移，在适当位置留下固定的氧阴离子，从 而在玻璃基材2和石墨样品1之间的界面上形成负电荷。在施加电场时，非常快地形成电场，且在几秒之内达到其稳定值(plateauvalue)， 该值通常为几十到几百毫安的数量级(该值特别取决于样品和基材的接触面积)。一通过 电流，石墨样品1就开始附着到玻璃基材2上，并且当电流返回到低值(稳定值的百分之 几)时被认为完成了所述附着，在该实例中，持续时间为几分钟到约30分钟的数量级。对于温度和电场的给定值仅仅是为了说明。它们取决于所用的材料以及固定所需 的速度。通常，发明人发现可通过提高其他参数来补偿一个参数的降低，以得到相同的固定 速度。对于更高的温度和电场可得到更快的固定。优选地，所用的温度范围为150-350°C， 电场范围为1. 2kV-2kV。然后，充分劈开样品以如图1所示仅仅在玻璃基材上留下薄层，该薄层由石墨烯 片层组成。该薄层的厚度不超过几个原子。通过使用显微镜或拉曼光谱观察，可确定薄层中一些片层10直接固定在所述基 材上，其他片层11覆盖所述片层10，且所述薄层的局部厚度为几个原子。没有直接固定在 所述基材上的片层11可容易回收或除去，例如可通过使用粘合带剥离。这样在玻璃基材上 仅仅留下牢固地结合到所述基材上的一些石墨烯片层，且厚度为单原子层或几个原子层。用这种方法结合到所述基材上的石墨烯片层天然不具有卷起的趋势，且它们可容 易地处理。它们在所述基材上进行直接处理，包括平板印刷处理。
在高度取向的热解(pyrolitic)石墨(HOPG)上进行的且用天然石墨进行的实验 可获得固定在基材上的石墨烯片(flake)，其具有相当大的尺寸，最高达400微米X 200微 米，通常具有约5000平方微米的面积。优选地，通过使用准单晶天然石墨样品，可获得尺寸 更大的固定在所述基材上的石墨烯片。本发明的方法不能与导电材料是阳极结合在硼硅酸盐玻璃上的方法搞混。已知通 过加热并施加电场，以与上述方法相似的方法将硅阳极结合到玻璃上。但是，阳极结合涉 及如硅这样的具有三维晶体结构、具有内结合、且容易在与玻璃的界面上形成氧键Si-O-Si 的材料。所有的这些结合是非常牢固的，且不可能分离结合到玻璃上的材料。以那种方法 结合的厚度是显微级的，数量级为毫米或更大，因此并不能与本发明的方法相提并论。相反地，本发明的方法应用到片层材料，且涉及仅仅将与基材直接接触的片层的 结合，即厚度最多几个原子。也可能分离不与所述基材直接接触的片层。
也可观察到本发明的方法不仅仅是静电沉积，而事实上是一种固定方法。与所述 基材接触的片层牢固地结合到所述基材上。该方法提出了新的可能性，并且可适用于各种领域，例如基于石墨烯制造的场效 应晶体管(FET)或在硅FET上的金属氧化物(MOSFET)。本发明并不限于上述说明，正好相反，本发明包括所附权利要求范围内所有变化。具体地说，尽管本发明的方法描述成为了得到石墨烯片层的一种用途，但是本发 明可应用到其他导体或半导体片层材料中。因此，发明人能够使用本发明的方法来固定半 导体材料InSe的片层以及金属和超导材料NbSe2的片层。相似地，所述基材可以如上述是玻璃，或者可以是同样地任意能够特定条件下由 于氧化物分解具有一定导电性的绝缘材料，该氧化物分解使用分离成具有给定电荷的可移 动离子和具有相反电荷的固定离子。该分解可通过，如实例所述加热，或者任意其他能够造 成该分解的手段来实现。具体地说，可使用具有硼硅酸盐玻璃薄层的基材，该硼硅酸盐玻璃 薄层例如通过射频磁控管溅射沉积在掺杂的硅块上。该类型的基材可用于降低将所述片层 固定在所述基材上所需的磁场。
权利要求
一种将至少部分导电的薄片状材料的片层固定在绝缘基材(2)上的方法，所述绝缘基材包含适合解离成带有给定电荷的可移动离子和带有相反电荷的固定离子的氧化物，所述方法包括以下步骤将薄片状材料的样品(1)放置在所述基材的表面上；使所述基材的氧化物解离；以及通过与所述基材接触的电极和与所述样品接触的电极向所述基材和所述样品施加电场。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基材由硼硅酸盐玻璃制成，所述硼硅酸盐玻 璃包含在温度作用下适合解离成可移动的Na+阳离子和固定的O2—阴离子的碱金属氧化物 Na2O,其中，加热所述基材造成所述解离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述基材加热到150-350°C之间的温度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场为1.2-2kV。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述片层材料是石墨。
全文摘要
本发明提供了一种将至少部分导电的薄片状材料的片层固定在绝缘基材(2)上的方法，所述绝缘基材包含适合解离成带有给定电荷的可移动离子和带有相反电荷的固定离子的氧化物，所述方法包括以下步骤将薄片状材料的样品(1)放置在所述基材的表面上；使所述基材的氧化物解离；以及通过与所述基材接触的电极和与所述样品接触的电极向所述基材和所述样品施加电场。
文档编号H01L21/336GK101821211SQ200880111435
公开日2010年9月1日 申请日期2008年10月3日 优先权日2007年10月11日
发明者A·舒克拉, J·马泽 申请人:皮埃尔和玛利居里大学(巴黎第六大学);中央科学研究中心