利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的方法与装置与流程

本发明属于超精密切削加工领域，涉及一种利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的方法与装置。

背景技术：

石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道连接构成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，仅有一个碳原子厚度的新型二维材料，是构建所有其他维数石墨材料的基本单元。石墨烯不仅有超常的电学性能(室温下电子迁移率可达2×10⁵cm²/(v·s)，是传统半导体材料的数十至数百倍)，突出的比表面积(2630m²/g)，优异的导热性能(5000w/(m·k))，而且还具有一些独特的性能，如完美的量子隧道效应、永不消失的电导率等一系列性质。正是因为石墨烯的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。此外，石墨烯具有惊人的光学性质，其单层石墨烯只吸收2.3%的可见光，适合制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯具有延展性和极佳的可挠曲性，非常符合未来柔性电子的应用。其杨氏模量高达1.0tpa，断裂强度是钢的200倍，使其成为很好的微型压力和力学传感器及共振器材料。

然而，由于本征石墨烯没有带隙，无法直接应用于数字逻辑器件的制备，石墨烯在电子学领域这一最重要的应用就难以实现。因此，制备宽度在10nm以下的石墨烯带就显得至关重要。因为，大量研究表明，石墨烯带可以为石墨烯打开一个大小合理的带隙，而且带隙强烈的依赖于纳米带的宽度以及边缘的原子结构。然而，由于石墨烯良好的热传导性、化学稳定性、机械特性及原子级厚度，获得光滑的石墨烯边缘十分困难。通常获得的纳米带边缘是不规则的，并且宽度随长度的不同会有所变化。即使轻微的边缘畸形也会消除具有不同边缘结构的纳米带间的带隙差异。因此，如何对单原子层石墨烯进行高效、可控的切割，形成具有一定边缘结构且边缘光滑的石墨烯纳米带是石墨烯在电子学领域应用的前提。

目前，实现石墨烯加工的方法大致有两大类：一类是自下而上的合成方法，即采用小分子合成大的石墨烯带；另一类方法是采用加工的方法自上而下将大块石墨烯切割成小块石墨烯带。该类方法有电子束曝光刻蚀、纳米线刻蚀、氦离子刻蚀、基于spm刻蚀法等化学刻蚀方法以及激光切割、超声化学切割、金属纳米粒子切割、探针划切法等切割方法。此外，石墨烯纳米带也可以通过拉链的方式“拉开”碳纳米管获得。但是，目前尚没有一种系统有效的方法能够实现石墨烯的精密可控切割并能满足电子学领域所要求的高质量切割边缘。归其原因：金属纳米粒子切割、等离子刻蚀等化学作用主导的方法通过调节化学作用强弱能够实现石墨烯特定边缘结构且边缘光滑的切割，但精确控制比较困难；afm或stm探针划切等以机械作用主导的切割方法在对方向、宽度、位置等精密控制上具有较大的优势，但切割边缘翘曲、撕裂严重，难以实现具有一定边缘结构（扶手椅形或锯齿形）且边缘光滑的石墨烯切割。为此，有必要寻求一种方法将强化学作用原子级约束在探针周围定域范围内，一方面利用化学作用选择性蚀除石墨烯，实现特定边缘结构的光滑边缘。另一方面利用纳米和亚纳米级精度工作台运动及探针的机械划擦作用，实现特定取向、精密可控的石墨烯切割。

技术实现要素：

发明目的：

本发明为解决电子学领域对石墨烯带极高的宽度和边缘结构要求的问题，以及目前制造方法难以实现石墨烯可控且边缘光滑的切割等问题，针对现有刻蚀技术难以精密控制及传统afm探针划切技术由于机械作用过强而造成的石墨烯边缘翘起和粗糙等问题，提出利用光催化激发化学剪精密可控切割石墨烯的新方法和装置。解决了使用传统强化试剂所造成的设备腐蚀、环境污染、人体伤害、容易失效的问题，以及等离子体和过渡金属所造成的设备昂贵、操作条件复杂、控制困难等问题。为石墨烯的高质量切割及其在电子领域的应用提供新思路和相关的技术基础。

技术方案：

一种利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的方法，其特征在于：

步骤一：将带有衬底的石墨烯固定在压电陶瓷驱动的二维微动台上，二维微动台为纳米级；

步骤二：利用磁致伸缩机构并借助电源控制器实现半导体探针的z向定位；

步骤三：使用雾化器将辅助液体雾化，雾化后的辅助液体吸附在半导体探针表面；

步骤四：紫外光源发出紫外光通过聚光镜聚焦后经光源传输装置照射在半导体探针上，半导体探针表面生成强氧化性的氧化基团，氧化基团与基体上的带有衬底的石墨烯接触使其氧化，同时结合二维微动台在x、y方向的超精密移动，实现不同二维图案石墨烯带的切割。

所述半导体探针外径尺寸为2nm~100nm，下端部圆滑过渡。

所述半导体探针内层的金属芯材料为钛、铈、锆、锡、锌或镍中的任意一种；外层材料为内层的金属芯材料通过表面氧化的方式得到的相应氧化物，为二氧化钛、二氧化铈、二氧化锆、二氧化锡、氧化锌或氧化镍中的任意一种。

所述辅助液体组成成分为电子捕获剂和去离水，电子捕获剂为h2o2、fenton试剂、k2feo4或na2feo4中的一种或几种，电子捕获剂所占质量百分比为0.1%~12%，去离子水所占质量百分比为88%~99.9%。

所述紫外光源为通过调节输入电流控制照射紫外光强度的光源。

所述半导体探针通过与带有衬底的石墨烯接触、击穿形成的隧道电流实现z向定位，半导体探针z向行程为1nm~100μm。

所述二维微动台x、y向的行程分别为1nm~100μm。

所述氧化基团由空穴和羟基自由基·oh组成。

所述紫外光源发出的紫外光照射下，半导体探针表面产生的电子被辅助液体中的电子捕获剂和半导体探针与带有衬底的石墨烯之间施加的电极偏压中和，依靠化学和电化学能量协同作用降低电子与空穴的复合概率，进而提高光催化效率。

所述一种利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的装置，其特征在于：包括金属芯、半导体探针、电源控制器、电极、二维微动台、雾化器、紫外光源、聚光镜、光源传输装置和磁致伸缩机构；二维微动台水平放置，半导体探针位于二维微动台上方，二维微动台是纳米级的微动台，与半导体探针一体的金属芯位于半导体探针上方，金属芯将半导体探针和磁致伸缩机构连接在一起，磁致伸缩机构和电极通过电源控制器连接，电极置于二维微动台上，半导体探针的一侧设置有雾化器，半导体探针的一侧还设置有紫外光源，紫外光源与半导体探针之间设置有聚光镜和光源传输装置。

优点及效果：

半导体探针表面氧化基团是通过电化学及化学电子捕获剂调控，容易实现精密控制。由于使用了二氧化钛等无毒无污染介质作为半导体探针，避免了传统强化试剂所造成的设备腐蚀、环境污染、人体伤害、容易失效以及等离子体和过渡金属所造成的设备昂贵、操作条件复杂、控制困难等问题，为石墨烯的高质量切割及其在电子领域的应用提供新思路和相关的技术基础。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细说明：

图1为本发明利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带原理图；

图2为本发明利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带装置示意图；

图3为本发明利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带z向定位示意图；

图4为本发明利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带切割示意图；

图5为本发明利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带切割完成示意图。

所述标注为：1.紫外光、2.金属芯、3.半导体探针、4.氧化基团、5.带有衬底的石墨烯、6.co2、7.电源控制器、8.电极、9.二维微动台、10.切割沟槽、11.辅助液体、12.雾化器、13.紫外光源、14.聚光镜、15.光源传输装置、16.磁致伸缩机构、17.石墨烯带。

具体实施方式

如图1和图2所示：带有衬底的石墨烯5固定在水平放置的二维微动台9上，二维微动台9是纳米级的微动台，由压电陶瓷驱动。半导体探针3位于二维微动台9上带有衬底的石墨烯5的上方，与半导体探针3一体的金属芯2位于半导体探针3上方，金属芯2将半导体探针3和磁致伸缩机构16连接在一起，磁致伸缩机构16和电极8通过电源控制器7连接，电极8置于二维微动台9上带有衬底的石墨烯5上面，控制半导体探针3的z定位，并且为半导体探针3与带有衬底的石墨烯5之间提供电极偏差。半导体探针3的一侧设置有雾化器12，将辅助液体11雾化，雾化后的辅助液体11吸附在半导体探针3表面。半导体探针3的一侧还设置有紫外光源13，与聚光镜14位置相对，并通过光源传输装置15照射到半导体探针3上，半导体探针3表面生成的强氧化性的氧化基团4氧化带有衬底的石墨烯5，以实现对石墨烯带的切割。通过调节紫外光源13的输入电流控制照射在半导体探针3表面紫外光1强度，以改变光催化氧化作用的强弱，适应不同的切割要求。

如图3所示，一种利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的z向定位过程为：利用电源控制器7驱动半导体探针3随磁致伸缩机构16下移，当分别接正负电极8的半导体探针3与带有衬底的石墨烯5距离减小到一定程度时它们之间会产生隧道电流，利用半导体探针3与带有衬底的石墨烯5接触、击穿形成的隧道电流实现半导体探针z向定位。

如图4所示，一种利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的切割过程为：半导体探针3下移并弯曲以达到半导体探针3表层与带有衬底的石墨烯5接触的目的，另一方面半导体探针3弯曲也可以降低z向定位精度要求。紫外光1照射在半导体探针3上，光滑的半导体探针3侧面生成的强氧化性的氧化基团4与基体上的石墨烯5接触使其氧化，同时结合纳米级二维微动台9在x、y方向的超精密移动，实现对不同二维图案石墨烯带的切割。在此过程中，电源控制器7为半导体探针3与带有衬底的石墨烯5之间提供电极偏差，电子被电极偏压中和。

如图5所示，一种利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的方法与装置，切割完成获得的石墨烯带17。

本发明利用光催化氧化作用精密可控切割石墨烯带的方法：

实施例1：

步骤一：将带有衬底的石墨烯5固定在压电陶瓷驱动的二维微动台9上，二维微动台9为纳米级；

步骤二：利用磁致伸缩机构16并借助电源控制器7实现半导体探针3的z向定位，半导体探针3外层材料为二氧化钛，内层的金属芯2材料为钛，半导体探针3外径尺寸为20nm，下端部圆滑过渡；

步骤三：使用雾化器12将质量百分比为0.5%h2o2和99.5%去离子水混合成的辅助液体11雾化，雾化后的辅助液体11吸附在半导体探针3表面；

步骤四：紫外光源13发出紫外光1通过聚光镜14聚焦后经光源传输装置15照射在半导体探针3上，半导体探针3表面生成强氧化性的羟基自由基，羟基自由基与基体上的带有衬底的石墨烯5接触使石墨烯氧化，同时结合二维微动台9在x、y方向的超精密移动，实现不同二维图案石墨烯带17的切割。

所述紫外光源13为通过调节输入电流控制照射紫外光1强度的光源。

所述半导体探针3通过与带有衬底的石墨烯5接触、击穿形成的隧道电流实现z向定位，半导体探针z向行程为1nm~100μm。

所述二维微动台9x、y向的行程分别为1nm~100μm。

实施例2：

步骤一：将带有衬底的石墨烯5固定在压电陶瓷驱动的二维微动台9上，二维微动台9为纳米级；

步骤二：利用磁致伸缩机构16并借助电源控制器7实现半导体探针3的z向定位，半导体探针3外层材料为氧化锌，内层的金属芯2材料为锌，半导体探针3外径尺寸为50nm，下端部圆滑过渡；

步骤三：使用雾化器12将质量百分比为1%fenton试剂和99%去离子水混合成的辅助液体11雾化，雾化后的辅助液体11吸附在半导体探针3表面；

步骤四：紫外光源13发出紫外光1通过聚光镜14聚焦后经光源传输装置15照射在半导体探针3上，半导体探针3表面生成强氧化性的羟基自由基，羟基自由基与基体上的带有衬底的石墨烯5接触使石墨烯氧化，同时结合二维微动台9在x、y方向的超精密移动，实现不同二维图案石墨烯带17的切割。

所述紫外光源13为通过调节输入电流控制照射紫外光1强度的光源。

所述半导体探针3通过与带有衬底的石墨烯5接触、击穿形成的隧道电流实现z向定位，半导体探针z向行程为1nm~100μm。

所述二维微动台9x、y向的行程分别为1nm~100μm。

实施例3：

步骤一：将带有衬底的石墨烯5固定在压电陶瓷驱动的二维微动台9上，二维微动台9为纳米级；

步骤二：利用磁致伸缩机构16并借助电源控制器7实现半导体探针3的z向定位，半导体探针3外层材料为二氧化锆，内层的金属芯2材料为锆，半导体探针3外径尺寸为100nm，下端部圆滑过渡；

步骤三：使用雾化器12将质量百分比为12%k2feo4和88%去离子水混合成的辅助液体11雾化，雾化后的辅助液体11吸附在半导体探针3表面；

步骤四：紫外光源13发出紫外光1通过聚光镜14聚焦后经光源传输装置15照射在半导体探针3上，半导体探针3表面生成强氧化性的羟基自由基，羟基自由基与基体上的带有衬底的石墨烯5接触使石墨烯氧化，同时结合二维微动台9在x、y方向的超精密移动，实现不同二维图案石墨烯带17的切割。

所述紫外光源13为通过调节输入电流控制照射紫外光1强度的光源。

所述半导体探针3通过与带有衬底的石墨烯5接触、击穿形成的隧道电流实现z向定位，半导体探针z向行程为1nm~100μm。

所述二维微动台9x、y向的行程分别为1nm~100μm。

实施例4：

步骤一：将带有衬底的石墨烯5固定在压电陶瓷驱动的二维微动台9上，二维微动台9为纳米级；

步骤二：利用磁致伸缩机构16并借助电源控制器7实现半导体探针3的z向定位，半导体探针3外层材料为二氧化锡，内层的金属芯2材料为锡，半导体探针3外径尺寸为80nm，下端部圆滑过渡；

步骤三：使用雾化器12将质量百分比为8%na2feo4和92%去离子水混合成的辅助液体11雾化，雾化后的辅助液体11吸附在半导体探针3表面；

步骤四：紫外光源13发出紫外光1通过聚光镜14聚焦后经光源传输装置15照射在半导体探针3上，半导体探针3表面生成强氧化性的羟基自由基，羟基自由基与基体上的带有衬底的石墨烯5接触并使石墨烯氧化，同时结合二维微动台9在x、y方向的超精密移动，实现不同二维图案石墨烯带17的切割。

所述紫外光源13为通过调节输入电流控制照射紫外光1强度的光源。

所述半导体探针3通过与带有衬底的石墨烯5接触、击穿形成的隧道电流实现z向定位，半导体探针z向行程为1nm~100μm。

所述二维微动台9x、y向的行程分别为1nm~100μm。

实施例5：

步骤一：将带有衬底的石墨烯5固定在压电陶瓷驱动的二维微动台9上，二维微动台9为纳米级；

步骤二：利用磁致伸缩机构16并借助电源控制器7实现半导体探针3的z向定位，半导体探针3外层材料为氧化镍，内层的金属芯2材料为镍，半导体探针3外径尺寸为50nm，下端部圆滑过渡；

步骤三：使用雾化器12将质量百分比为1%h2o2、2%fenton试剂和97%去离子水混合成的辅助液体11雾化，雾化后的辅助液体11吸附在半导体探针3表面；

步骤四：紫外光源13发出紫外光1通过聚光镜14聚焦后经光源传输装置15照射在半导体探针3上，半导体探针3表面生成强氧化性的羟基自由基和空穴，羟基自由基和空穴与基体上的带有衬底的石墨烯5接触使石墨烯氧化，同时结合二维微动台9在x、y方向的超精密移动，实现不同二维图案石墨烯带17的切割。

所述紫外光源13为通过调节输入电流控制照射紫外光1强度的光源。

所述半导体探针3通过与带有衬底的石墨烯5接触、击穿形成的隧道电流实现z向定位，半导体探针z向行程为1nm~100μm。

所述二维微动台9x、y向的行程分别为1nm~100μm。

实施例6：

步骤一：将带有衬底的石墨烯5固定在压电陶瓷驱动的二维微动台9上，二维微动台9为纳米级；

步骤二：利用磁致伸缩机构16并借助电源控制器7实现半导体探针3的z向定位，半导体探针3外层材料为氧化镍，内层的金属芯2材料为镍，半导体探针3外径尺寸为10nm，下端部圆滑过渡；

步骤三：使用雾化器12将质量百分比为5%h2o2、3%fenton试剂、1%k2feo4和91%去离子水混合成的辅助液体11雾化，雾化后的辅助液体11吸附在半导体探针3表面；

步骤四：紫外光源13发出紫外光1通过聚光镜14聚焦后经光源传输装置15照射在半导体探针3上，半导体探针3表面生成强氧化性的羟基自由基和空穴，羟基自由基和空穴与基体上的带有衬底的石墨烯5接触使石墨烯氧化，同时结合二维微动台9在x、y方向的超精密移动，实现不同二维图案石墨烯带17的切割。

所述紫外光源13为通过调节输入电流控制照射紫外光1强度的光源。

所述半导体探针3通过与带有衬底的石墨烯5接触、击穿形成的隧道电流实现z向定位，半导体探针z向行程为1nm~100μm。

所述二维微动台9x、y向的行程分别为1nm~100μm。

实施例7：

步骤一：将带有衬底的石墨烯5固定在压电陶瓷驱动的二维微动台9上，二维微动台9为纳米级；

步骤二：利用磁致伸缩机构16并借助电源控制器7实现半导体探针3的z向定位，半导体探针3外层材料为二氧化铈，内层的金属芯2材料为铈，半导体探针3外径尺寸为90nm，下端部圆滑过渡；

步骤三：使用雾化器12将质量百分比为0.5%h2o2、0.2%fenton试剂、0.2%k2feo4、0.1%na2feo4和99.0%去离子水混合成的辅助液体11雾化，雾化后的辅助液体11吸附在半导体探针3表面；

步骤四：紫外光源13发出紫外光1通过聚光镜14聚焦后经光源传输装置15照射在半导体探针3上，半导体探针3表面生成强氧化性的羟基自由基，羟基自由基与基体上的带有衬底的石墨烯5接触使石墨烯氧化，同时结合二维微动台9在x、y方向的超精密移动，实现不同二维图案石墨烯带17的切割。

所述紫外光源13为通过调节输入电流控制照射紫外光1强度的光源。

所述半导体探针3通过与带有衬底的石墨烯5接触、击穿形成的隧道电流实现z向定位，半导体探针z向行程为1nm~100μm。

所述二维微动台9x、y向的行程分别为1nm~100μm。

本发明切割原理是：半导体探针受到光子能量高于半导体吸收阈值的紫外光照射时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，半导体探针表面会产生电子和空穴。电子被辅助液中的电子捕获剂和半导体探针与带有衬底的石墨烯之间施加的电极偏压中和，依靠化学和电化学能量协同作用降低电子与空穴的复合概率，进而提高光催化效率。空穴与辅助液体中的oh^-和h2o反应生成强氧化性的羟基自由基·oh，空穴与羟基自由基形成强氧化性的氧化基团与石墨烯接触时就可以氧化石墨烯生成二氧化碳。切割时，将带有衬底的石墨烯固定在二维微动台上，纳米级二维微动台由压电陶瓷驱动。电源控制器与磁致伸缩机构相连控制半导体探针的z向定位，并且为半导体探针与带有衬底的石墨烯之间提供电极偏差。紫外光源与聚光镜位置相对，紫外光通过光源传输装置照射到半导体探针上。半导体探针表面生成的强氧化性的氧化基团氧化带有衬底的石墨烯，以实现对石墨烯带的切割。。