专利名称：一种在石墨或石墨烯表面加工纳米尺度图形的方法
技术领域：
本发明涉及纳米加工技术，具体是一种利用导电原子力显微镜多针尖效应在石墨或石墨烯表面制备纳米尺度图形。
背景技术：
2004年英国曼切斯特大学的Geim等人首次制备出单原子层的石墨烯。石墨烯的迁移率为传统半导体材料的数十至上百倍，有望应用于高性能的纳电子器件中。而研究发现单原子层的石墨烯的禁带宽度为零，只有当石墨烯纳米带宽度为20纳米以下时，其禁带才逐渐打开，呈现半导体性。为了制备基于石墨烯的COMS逻辑开关器件，就需要寻找一种可以将石墨烯加工成20nm以下纳米带的工艺方法。然而，现有的微纳结构主要通过光刻技术来制备，但受限于光的波长，尚无法制备数纳米的结构。即使利用电子束光刻技术，目前尚很难加工宽度在20nm以下的石墨烯纳米带。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在石墨或石墨烯表面加工出20纳米以下图形的方法。本发明提供的技术方案如下一种在石墨或石墨烯表面制备纳米尺度图形的方法，其步骤包括1)将石墨或石墨烯解离露出新鲜的表面并放置于原子力显微镜样品台上，石墨或石墨烯一端通过导线接地；2)利用原子力显微镜扫描石墨或石墨烯表面并选取待刻蚀的区域；3)将原子力显微镜的针尖逼近石墨或石墨烯表面，设置扫描范围，进入扫描状态， 同时在针尖上加负电压，当针尖处于多针尖状态时，刻蚀石墨或石墨烯表面形成沟槽，从而得到所设计的加工图形。本发明利用多针尖效应，可以通过一次刻蚀得到两条或多条间距极窄的刻蚀沟槽。在针尖上加的负电压的绝对值大于7V。刻蚀时针尖移动速度小于20 μ m/s，在每一处停留时间小于5秒。可将石墨或石墨烯转移到相应的其它导电基底或绝缘材料上；若石墨或石墨烯在绝缘材料上，则通过电极相连使石墨或石墨烯接地，在针尖上加绝对值大于7V的负电压后进行刻蚀。本发明原理导电针尖刻蚀石墨表面时，由于针尖与样品表面距离且针尖曲率半径极小，当针尖加上负电压时，针尖会与样品之间形成极强的电场。电子由针尖端发射到达石墨表面，刻蚀机理有3种解释1是由于物理轰击造成石墨晶格破坏；2是产生的热量会使大气中的氧与石墨的碳原子发生发应，生成CO等气体；3是由于空气中的水和石墨的碳原子发生电化学反应生成CO等气体。
同时，由于普通导电针尖在扫描过程中如果受到污染或磨损产生，针尖可以处于多针尖状态。由于多针尖的间距非常小，甚至小于20纳米，这样在一次刻蚀中同时得到两条间距极窄的刻蚀沟槽，所形成的图形可以由控制针尖移动的脚本程序确定，例如控制针尖沿直线刻蚀时，在两条直沟槽之间可得到20纳米尺度以下的石墨纳米带图形。本发明石墨烯可以是单层，双层，或多层，在其表面制备出纳米尺度图形。本发明的优点与技术效果目前在石墨或石墨烯表面上加工20纳米尺度以下的图形极其困难，本发明利用导电原子力显微镜多针尖效应，可以通过一次刻蚀得到到两条或多条间距极窄的刻蚀沟槽，形成例如20纳米尺度以下的石墨纳米带等图形。通过原子力显微镜的脚本程序的编写控制控制针尖的刻蚀路径，得到任意形状的图形。刻蚀出的沟槽深度可由导电针尖的电压以及针尖移动时间控制。
图1.导电原子力显微镜双针尖在石墨表面刻蚀得到的双排点阵结构，横向双点坑间距仅为10纳米左右；图2.导电原子力显微镜双针尖在石墨表面刻蚀得到间距为14nm的平行双沟槽结构；图3.导电原子力显微镜双针尖在石墨表面刻蚀得到3圆环交叠沟槽结构。
具体实施例方式实施例1将一块石墨解离露出新鲜的表面；利用原子力显微镜扫描石墨表面并选取待刻蚀的区域。安装导电针尖，将针尖逼近样品，扫描范围为2X2微米。同时在针尖上加-8V的负电压，当针尖存在多针尖形态，控制针尖在石墨表面沿某一方向每隔50纳米将针尖逼近样品，停留3秒。最后得到双排点阵结构，横向双点坑之间的间距仅为10纳米左右，如图1 所示。实施例2将一多层石墨烯解离露出新鲜的表面；利用原子力显微镜扫描石墨表面并选取待刻蚀的区域；安装导电针尖，将针尖逼近样品，扫描范围为2X2微米。同时在针尖上加-9V 的负电压，当针尖存在多针尖形态，控制针尖在石墨表面沿直线移动，移动速度为2 μ m/s，。 最后得到间距为14nm的双沟槽结构，如图2所示。实施例3将一块石墨解离露出新鲜的表面；利用原子力显微镜扫描石墨表面并选取待刻蚀的区域；安装导电针尖，将针尖逼近样品，扫描范围为2X2微米。同时在针尖上加-8V的负电压，当针尖存在多针尖形态，控制针尖在石墨表面沿圆曲线移动，移动速度为2 μ m/s。最后同时得到3圆环交叠沟槽结构的图形，如图3所示。上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求
1.一种在石墨或石墨烯表面加工纳米尺度图形的方法，其步骤包括1)将石墨或石墨烯解离露出新鲜的表面并放置于原子力显微镜样品台上，石墨或石墨烯一端通过导线接地；2)利用原子力显微镜扫描石墨或石墨烯表面并选取待刻蚀的区域；3)将原子力显微镜的针尖逼近石墨或石墨烯表面，设置扫描范围，进入扫描状态，同时在针尖上加上负电压，当针尖处于多针尖状态时，刻蚀石墨或石墨烯表面形成沟槽，从而得到所设计的加工图形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述电压的绝对值大于7V。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中刻蚀时针尖移动速度小于20μ m/So
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中将所述石墨或石墨烯转移到其它导电基底或绝缘材料上。
全文摘要
本发明公开了一种在石墨或石墨烯表面加工纳米尺度图形的方法，属于纳米加工技术领域。该方法具体包括将石墨或石墨烯解离露出新鲜的表面并放置于原子力显微镜样品台上，石墨或石墨烯一端通过导线接地；用原子力显微镜扫描石墨或石墨烯表面并选取待刻蚀的区域；将原子力显微镜的针尖逼近石墨或石墨烯表面，设置扫描范围，进入扫描状态，同时在针尖上加负电压，当针尖处于多针尖状态，刻蚀石墨或石墨烯表面形成沟槽，从而得到所设计的加工图形。本发明利用多针尖效应，可以通过一次刻蚀得到两条或多条间距极窄的刻蚀沟槽。
文档编号B81C1/00GK102285631SQ201110153728
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者傅云义, 张朝晖, 李佩朔, 赵华波, 魏子钧, 魏芹芹 申请人:北京大学