一种基于平整二维结构衬底的石墨烯超材料CVD制备方法

一种基于平整二维结构衬底的石墨烯超材料cvd制备方法
技术领域
1.本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种基于平整二维结构沉底的石墨烯超材料cvd制备方法。


背景技术：

2.超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。
3.石墨烯(graphene)是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。
4.但是，制备石墨烯超材料需要制造具有特定二位结构的石墨烯，但石墨烯化学性质极为稳定化学刻蚀较困难，现有石墨烯二维材料加工发放主要有物理刻蚀方法、cvd沉积法，物理刻蚀方法是运用激光、电子束等高能射线进行刻蚀，cvd法是通过光刻技术在基板表面制备掩膜，然后进行化学气相沉积，最后清洗掩膜，得到需要的石墨烯结构。
5.然而，运用激光、电子束等高能射线进行刻蚀虽然精度高，但是速度较慢且成本高昂，还会对石墨烯材料造成不可逆损伤，不利于应用至大规模生产。运用掩膜的cvd化学气相沉积方法虽然成本较低，但由于掩膜带来的表面不平整，在一定速度气体流动下不利于石墨烯沉积，掩膜边缘石墨烯结构容易产生缺陷。
6.发明目的
7.本发明的目的是为了解决现有石墨烯超材料加工刻蚀复杂、成本高，易损伤的问题，旨在提供一种基于平整二维结构衬底的石墨烯超材料cvd制备方法，在保留cvd低成本生成石墨烯优点的同时，提高石墨烯超材料二维结构制备的品质，具有更加可靠、便捷、高精度的特点。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种可自由控制形态的石墨烯超材料cvd制备方法，包括以下步骤：
9.步骤1：根据需求设计石墨烯超材料二维结构图案，并生成工程文档；
10.步骤2：根据所设计的石墨烯超材料二维结构图案对所选金属衬底进行刻蚀，注入填充剂填充刻蚀部分，防止石墨烯生长至衬底侧面；
11.步骤3：对步骤2中所述金属衬底进行打磨，磨掉多余填充剂露出所述金属衬底材料，并使其表面平整；
12.步骤4：:运用cvd法生成具备二维微纳机构的石墨烯超材料。
13.优选地，所述石墨烯超材料二维结构图案为根据应用场景设计的具备光学、电磁特性的超材料图案。
14.优选地，步骤2中所述刻蚀采用pcb工艺。
15.优选地，所述金属衬底为cvd法生成石墨烯时所用衬底，其材质包括铜、镍。
16.优选地，所述填充剂包括不利于cvd石墨烯生长的树脂、光刻胶材料，其被打磨成平整表面，以防止石墨烯生长至金属衬底刻蚀区域的侧面。
附图说明
17.图1是不同结构衬底cvd法石墨烯超材料沉积状况示意图。
18.附图标记：
[0019]1‑
cvd法生成的石墨烯超材料；
[0020]2‑
为金属衬底；
[0021]3‑
不利于石墨烯沉积的填充剂。
具体实施方式
[0022]
以下结合附图详细阐述本发明的具体实施方式，本领域技术人员应当明白，此处的实施方式仅是对本发明的示例性说明，而不应被视为对本发明的限定，任何不脱离本发明主旨的等效替代或变动都落入本发明的范围。
[0023]
本发明提供了一种可自由控制形态的石墨烯超材料cvd制备方法，包括以下步骤：
[0024]
(1)根据需求设计石墨烯超材料二维结构图案，并生成工程文档。
[0025]
(2)运用传统pcb加工工艺，依据设计图案对所选金属衬底进行刻蚀。
[0026]
(3)注入填充剂填充被刻蚀部分。
[0027]
(4)对加注填充剂的金属衬底进行打磨，磨掉多余填充剂露出金属衬底材料，并使表面平整。
[0028]
(5)运用cvd法生成具备二维微纳机构的石墨烯超材料。
[0029]
(6)去除衬底及填充剂，得到具备二维微纳结构的石墨烯超材料。
[0030]
图1是不同结构衬底cvd法石墨烯超材料沉积状况示意图，其中，(1)是cvd法生成的石墨烯超材料；(2)为金属衬底；(3)是不利于石墨烯沉积的填充剂。如图所示，一为本发明所述的具备微纳尺度二维结构的平整金属衬底cvd法生成石墨烯超材料，石墨烯生成状况良好；二为未加注填充剂的金属衬底，石墨烯在刻蚀槽垂直的壁上也存在生成，引入不可控变量，不利于石墨烯超材料的制备；三为不对金属衬底进行刻蚀，直接通过光刻技术在衬底上制备掩膜，然后进行cvd气相沉积，因气相沉积通入甲烷气体具备一定流速，因此，在掩膜边缘石墨烯生成会收到影响，形成缺陷。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0032]
1、通过对金属衬底的刻蚀、涂胶和打磨，创造出了具备微纳尺度二位结构的平整金属衬底，可高精度生长所需结构石墨烯超材料。
[0033]
2、与激光，电子束等物理刻蚀方法比较，本发明具有较低的成本，且不易对石墨烯材料本身造成破坏，确保石墨烯材料完整性。
[0034]
3、与金属衬底直接光刻掩膜进行不同形态石墨烯制备的方法相比，本发明创造了平整的衬底表面，更有利于石墨烯结构沉积。具备良好的应用前景。


技术特征：
1.一种可自由控制形态的石墨烯超材料cvd制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据需求设计石墨烯超材料二维结构图案，并生成工程文档；步骤2：根据所设计的石墨烯超材料二维结构图案对所选金属衬底进行刻蚀，注入填充剂填充刻蚀部分，防止石墨烯生长至衬底侧面；步骤3：对步骤2中所述金属衬底进行打磨，磨掉多余填充剂露出所述金属衬底材料，并使其表面平整；步骤4：:运用cvd法生成具备二维微纳机构的石墨烯超材料。2.根据权利要求1所述的一种可自由控制形态的石墨烯超材料cvd制备方法，其特征在于，所述石墨烯超材料二维结构图案为根据应用场景设计的具备光学、电磁特性的超材料图案。3.根据权利要求1所述的一种可自由控制形态的石墨烯超材料cvd制备方法，其特征在于，步骤2中所述刻蚀采用pcb工艺。4.根据权利要求1所述的一种可自由控制形态的石墨烯超材料cvd制备方法，其特征在于，所述金属衬底为cvd法生成石墨烯时所用衬底，其材质包括铜、镍。5.根据权利要求1所述的一种可自由控制形态的石墨烯超材料cvd制备方法，其特征在于，所述填充剂包括不利于cvd石墨烯生长的树脂、光刻胶材料，其被打磨成平整表面，以防止石墨烯生长至金属衬底刻蚀区域的侧面。

技术总结
本发明公开了一种基于平整二维结构衬底的石墨烯超材料CVD制备方法：首先，根据需求设计石墨烯超材料二维结构图案，并生成工程文档；接着，根据所设计图案对所选金属衬底进行刻蚀，注入填充剂填充刻蚀部分，防止石墨烯生长至衬底侧面；然后，对金属衬底进行打磨，磨掉多余填充剂露出金属衬底材料，并使表面平整；最后，运用CVD法生成具备二维微纳机构的石墨烯超材料。本发明具有较低的成本，且不易对石墨烯材料本身造成破坏，确保石墨烯材料完整性，同时，创造了平整的衬底表面，更有利于石墨烯结构沉积。烯结构沉积。烯结构沉积。


技术研发人员：吴振升 杨海涛
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2021.08.12
技术公布日：2021/12/30