一种在电极表面快速生长图形化石墨烯的方法与流程

本发明涉及一种在电极表面快速生长图形化石墨烯的方法。

背景技术：

在当前显示技术领域，液晶显示（Liquid Crystal Display, LCD）与有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode, OLED）显示已广泛应用于平板电视、智能手机、数码相机、计算机屏幕等等，而量子点发光二极管作为新的显示技术，近年来取得巨大发展，也逐渐受到普遍关注，其相应产品如量子点电视也已面世。

无论是LCD、OLED或者是QLED，作为其显示驱动电路重要的核心元件，薄膜晶体管（Thin Film Transistor, TFT）构成的阵列基板通常是必不可少的重要组成部分。例如在LCD中，通过TFT控制液晶层中液晶分子的旋转，进而控制背光模组的出射光线产生画面；而在OLED/QLED中，每个像素点由一个TFT独立控制开启与关闭，进而实现对各个像素点发光的控制，产生画面。随着半导体显示技术的不断发展，新型显示技术对TFT阵列基板上电极的导电性能的要求越来越高。当前TFT器件常选用导电率较高的金属材料（比如铜、银等）作为电极（电极）材料。而对于现有的制备工艺，电极经常会被裸露着参与后续的工艺流程，而后续的高湿高温的制备条件极易引起金属电极材料的氧化，进而形成不导电的氧化层，影响整个TFT器件的电学性能。此外，近年来微小化及图形化也逐渐成为新型显示器件的一个发展趋势，虽然传统的光刻方式可以实现图形化，但后期处理中需使用化学试剂可能会影响其性能，而且其处理工序也较为繁琐，所能达到的微细程度仅在百微米量级。

石墨烯作为由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构，具有优异的电学、光学、热学、力学等特性。除了剥离、剪裁、化学氧化还原、化学气相沉积等的制备方法之外，已有相关文献报道，利用激光用于石墨烯的制备研究中。利用激光作为精密可控的高能量密度热源，以含碳化合物为原料，可在金属表面生成均匀致密的石墨烯层。由于石墨烯具有出色的水气隔绝特性，因此此法可用于阻隔电极与氧气和水的接触，降低金属电极被氧化而影响器件性能的问题。而且，利用激光的处理方式，可实现快速简便地可图案化制备，其微细程度能达到十微米甚至亚微米量级。因此基于激光处理的方式发明一种在电极表面快速生长图形化石墨烯的方法具有重要意义和广阔应用前景。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种在电极表面快速生长图形化石墨烯的方法，不仅结构设计合理，而且高效便捷。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种在电极表面快速生长图形化石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）提供一具有电极的基板，所述电极由金属材料构成；

（2）将所述基板置于碳源的环境下，利用激光照射所述电极的表面，被照射处原位生长出石墨烯膜层。

优选的，所述碳源采用气态碳源，被照射处产生局域高温，并在所述电极中含有的金属材料的催化作用下，所述气态碳源迅速分解，形成自由原子，并聚集在基板表面成核结晶形成石墨烯；移开激光或停止辐照，局域温度的迅速冷却促使所转换的石墨烯沉积于被照射处形成薄膜。

优选的，所述气态碳源为甲烷、乙烯以及乙炔中的任意一种或其混合气体，所述气态碳源的分压为1 Torr~1000 Torr。

优选的，所述碳源采用固态碳源，将固态碳源分散到有机溶液中得到分散液，将所述分散液涂布于电极的表面，得到均匀的碳源层；在惰性气体保护下，用激光照射所述碳源层，所述碳源层的碳原子和所述电极中的金属原子在激光照射的作用下形成固溶体；移开激光或停止激光辐照，所述固溶体冷却时形成过饱和的固溶体，碳原子从所述过饱和固溶体中析出，在电极的表面形成石墨烯薄膜。

优选的，所述固态碳源为石墨、无定形碳、C₆₀或碳纳米管，所述碳源层的厚度为0.01 mm ~0.5mm。

优选的，所述有机溶剂为酒精或丙酮。

优选的，所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气以及氙气中的任意一种或其混合气体。

优选的，所述金属材料为镍、银、钛、钒、铁、铝、锌、锡、铜、金以及铂中的任意一种或其合金。

优选的，所述激光为连续激光或脉冲激光，其波长处于可见光、红外光或紫外光波段，其功率密度为10³~10⁶W/cm²，其扫描速度5um/s~5000um/s。

优选的，所述电极的厚度为50nm~5um。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明以电极中的金属材料作为催化剂，并利用激光的高能量在催化剂表面附近产生局域高温，使得提供的碳源在具有局域高温的金属催化剂表面快速分解，分解出的碳原子在局域快速升温及快速降温过程中在电极表面成核结晶形成石墨烯薄膜；

（2）本发明采用激光处理的方式具有快速升温和快速降温的特点，通过控制激光的扫描速度影响升降温的速度，并同时通过控制激光的能量密度及碳源的量，可实现石墨烯薄膜生长的精密控制，配合激光光束的扫描运动，还可实现快速而精细的图形化结构；

（3）本发明由于有生成的石墨烯在表面的包覆保护作用，电极被氧化的风险大大降低，并且石墨烯良好的导电性能也将有助于整个器件性能的提升，一方面降低了金属电极被氧化的风险，另一方面利用激光辐照的方法产生的局域高温仅处于诱导出石墨烯生长的电极表面，可以最大限度地不破坏薄膜晶体管的结构，并且石墨烯良好的导电性能也将有助于整个器件性能的提升。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例一中基于气态碳源在栅极表面快速生长图形化石墨烯的示意图。

图2为本发明实施例二中基于固态碳源在源极与漏极表面快速生长图形化石墨烯的示意图。

图中：1-栅极，2-基板，3-真空反应腔，4-气态碳源，5-激光，6-石墨烯薄膜，7-源极，8-漏极，9-栅极绝缘层，10-半导体层，11-碳源层，12-惰性气体。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1~2所示，一种在电极表面快速生长图形化石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）提供一具有电极的基板2，所述电极由金属材料构成；

（2）将所述基板2置于碳源的环境下，利用激光5照射所述电极的表面，被照射处原位生长出石墨烯膜层。

在本发明实施例中，所述碳源采用气态碳源4，被照射处产生局域高温，并在所述电极中含有的金属材料的催化作用下，所述气态碳源4迅速分解，形成自由原子，并聚集在基板2表面成核结晶形成石墨烯；移开激光5或停止辐照，局域温度的迅速冷却促使所转换的石墨烯沉积于被照射处形成薄膜。

在本发明实施例中，所述气态碳源4为甲烷、乙烯以及乙炔中的任意一种或其混合气体，所述气态碳源4的分压为1 Torr~1000 Torr。

在本发明实施例中，所述碳源采用固态碳源，将固态碳源分散到有机溶液中得到分散液，将所述分散液涂布于电极的表面，得到均匀的碳源层11；在惰性气体12保护下，用激光5照射所述碳源层11，所述碳源层11的碳原子和所述电极中的金属原子在激光5照射的作用下形成固溶体；移开激光5或停止激光5辐照，所述固溶体冷却时形成过饱和的固溶体，碳原子从所述过饱和固溶体中析出，在电极的表面形成石墨烯薄膜6。

在本发明实施例中，所述固态碳源为石墨、无定形碳、C₆₀或碳纳米管，所述碳源层11的厚度为0.01 mm ~0.5mm。

在本发明实施例中，所述有机溶剂为酒精或丙酮。

在本发明实施例中，所述惰性气体12为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气以及氙气中的任意一种或其混合气体。

在本发明实施例中，所述金属材料为镍、银、钛、钒、铁、铝、锌、锡、铜、金以及铂中的任意一种或其合金。

在本发明实施例中，所述激光5为连续激光或脉冲激光，其波长处于可见光、红外光或紫外光波段，其功率密度为10³~10⁶W/cm²，其扫描速度5um/s~5000um/s。

在本发明实施例中，所述电极的厚度为50nm~5um。

在本发明实施例一中，所述碳源采用气态碳源4，电极为栅极1；石墨烯制备过程如图1所示，包括如下步骤：

（1）：提供一具有栅极1的基板2，所述栅极1中由金属材料构成，所述栅极1设置在基板2之上；

优选的，所述金属材料为镍、银、钛、钒、铁、铝、锌、锡、铜、金或铂中的任意一种或其合金，栅极1的厚度为50nm~5um；

（2）：提供一具有透明窗口的真空反应腔3，将所述具有栅极1的基板2置于真空反应腔3内，基板2表面正对透明窗口，随后通入气态碳源4，使其充满整个真空反应腔3，保持真空反应腔3内的整体压强在1 Torr~100 Torr；

优选的，所述气态碳源4为甲烷、乙烯或乙炔等中的任意一种或其混合气体；

（3）：提供一高功率密度激光5，透过真空反应腔3的透明窗口直接照射所述栅极1表面，被照射处产生局域高温，并在所述金属材料的催化作用下，所述气态碳源4迅速转换为石墨烯薄膜6沉积于被照射处；

优选的，所述高功率密度激光5为连续激光或脉冲激光，其波长处于可见光、红外光或紫外光波段，功率密度为10³~10⁶W/cm²，扫描速度5um/s~5000um/s；

优选的，高功率密度激光5经聚焦或离焦进行照射时，并配合激光5的扫描运动，可得到预定的图案化的石墨烯层。

在本发明实施例二中，所述碳源采用固态碳源，电极为源极7与漏极8；石墨烯制备过程如图2所示，包括如下步骤：

（1）：提供一具有源极7与漏极8的基板2，所述源极7与漏极8中含有金属材料，所述基板2上设置有栅极1，所述栅极1上设置有覆盖栅极1的栅极绝缘层9，所述栅极绝缘层9上设置有半导体层10，所述半导体层10上设置有源极7与漏极8；

（2）：提供固态碳源及有机溶液，将所述固态碳源分散到有机溶液中得到分散液，将所述分散液涂布于所述源极7与漏极8的表面，得到均匀的碳源层11；

优选的，所述固态碳源为石墨、无定形碳、C₆₀或碳纳米管等含碳物，所述有机溶剂为酒精、丙酮或甲苯等；

优选的，所述步骤（2）中的涂布方式包括旋涂，刮涂或喷涂等涂布方式；

（3）提供一具有透明窗口的真空反应腔3，将所述具有源极7与漏极8的基板2置于真空反应腔3内，基板2表面正对透明窗口，随后通入惰性气体12，使其充满整个真空反应腔3，保持反应腔内的整体压强在1 Torr~100 Torr；

优选的，所述惰性气体12为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等中的任意一种或其混合气体；

（4）：提供一高功率密度激光5，在所述惰性气体12保护下，高功率密度激光5照射所述碳源层11，所述固态碳源中的碳原子和所述源极7与漏极8中的金属原子在照射的作用下形成固溶体；移开激光5或停止辐照，所述固溶体冷却时形成过饱和的固溶体，碳原子从所述过饱和固溶体中析出，在源极7与漏极8表面表面形成石墨烯薄膜6。

优选的，所述高功率密度激光5为连续激光或脉冲激光，其波长处于可见光、红外光或紫外光波段，功率密度为10³~10⁶W/cm²，扫描速度5um/s~5000um/s。

优选的，所述高功率密度激光5经聚焦或离焦进行照射时，并配合激光5的扫描运动，可得到预定的图案化的石墨烯层。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的在电极表面快速生长图形化石墨烯的方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。