专利名称：一种臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法
技术领域：
本发明涉及纳米碳质薄膜的器件制作工艺，具体为一种利用臭氧处理对石墨烯、碳纳米管及其复合薄膜的光电性能进行调控并对其图形化的方法，适用于基于石墨烯或碳纳米管薄膜的电子器件及生物化学传感器等。
背景技术：
纳米碳质材料(石墨烯和碳纳米管等)，由于具有独特的结构和多功能特性，受到了广泛的关注。其中，纳米碳质材料组成的薄膜非常适合于未来的光电子器件领域。如，基于纳米碳质材料所制备的透明导电薄膜表现出优异的透明导电特性，更重要的是其还具有很好的抗弯折性能，避免了传统氧化铟锡透明电极存在的铟资源短缺、柔韧性差等问题，在柔性触摸屏、OLED等器件领域均具有重要的应用前景。此外，由于碳纳米管与石墨烯具有极高的载流子迁移率、高比表面积等特点，其组成的薄膜在各种生物以及化学传感器领域也具有广阔的应用前景。但是不同的器件对薄膜的光学和电学性能的要求不同，因此可控调节纳米碳质材料薄膜的光学和电学性能对于其广泛应用至关重要。另外，图形化是将纳米碳质薄膜集成到电子器件中的一个重要步骤。由于碳质材料具有较高的氧化电位，难以利用传统的湿法刻蚀对其进行图形化。目前，对纳米碳质薄膜图形化主要采用光刻工艺，然后用等离子体进行刻蚀。然而，等离子体所需真空设备装置比较复杂、昂贵、不易操作。因此，开发简单、廉价，适合纳米碳质薄膜材料图形化的方法具有很强的实用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种常压、快捷的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法。该方法无需真空，在常压下即可操作，设备简单，成本低廉，有利于纳米碳质材料在光电子器件和生物化学传感器等领域的应用。本发明的技术方案是:·
一种臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，在常压下利用臭氧处理对石墨烯、碳纳米管及其复合薄膜的光电性能进行调控并对其图形化，具体如下:( I)纳米碳质薄膜光电性能调控首先在承载基体上制备纳米碳质薄膜，然后通过调节臭氧处理温度、流量及时间，在常压下实现对纳米碳质薄膜电学和光学性能的调控，具体处理条件:臭氧处理温度为20-200°C，臭氧流量为0.l-1000L/min，处理时间为l_60min ;薄膜的电阻调控范围为30 Ω-1OG Ω，透光率调控范围为50%-100% ；(2)纳米碳质薄膜图形化首先通过光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面上预制具有相应图形的保护性图层，然后在常压下置于臭氧中进行处理，以绝缘或去除未被保护的部分，最后将起保护作用的保护性图层去除，得到具有相应图案的纳米碳质薄膜；其中，薄膜未被保护部分经臭氧处理后，或为绝缘状态或被刻蚀掉，而被保护性图层保护的部分则保留原有纳米碳质薄膜的特性，从而实现了纳米碳质薄膜的图形化。所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，所用纳米碳质薄膜为石墨烯、碳纳米管或其复合薄膜，碳纳米管为单壁碳纳米管或少壁碳纳米管；其中，石墨烯薄膜的厚度为Ι-lOnm，碳纳米管及其与石墨烯的复合薄膜的厚度为l-100nm。所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，石墨烯薄膜的厚度优选为l-8nm，碳纳米管及其与石墨烯的复合薄膜的厚度为20-100nm。所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，根据不同需求，调节图形化的温度以及臭氧的流量；其中，对于非刻蚀的图形化，非刻蚀为用绝缘的部分隔离导电部分，具体处理条件:臭氧处理温度为20-120°C，臭氧流量为0.l-1000L/min，处理时间为l-30min ;对于刻蚀性图形化，具体处理条件:臭氧处理温度为120-200°C、臭氧流量为
0.l-1000L/min，处理时间为 30_60min。所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，对于非刻蚀的图形化，具体处理条件优选为:臭氧处理温度为80-120°C，臭氧流量为10-1000L/min，处理时间为l-30min ;对于刻蚀性图形化，具体处理条件优选为:臭氧处理温度为150-200°C、臭氧流量为 10-1000L/min，处理时间为 30_60min。所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，利用光刻工艺在纳米碳质薄膜上制备具有相应图形的保护性图层，图形化所用的保护性图层采用的光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，所用的承载基体采用硅片、石英片、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚丙烯二酯(PPA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或米拉(Mylar)。所述的臭氧 调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，去除起保护作用的保护性图层，得到图形化的纳米碳质薄膜。本发明的设计思想是:本发明利用臭氧的强氧化性，通过调节臭氧与碳质薄膜的作用温度、流量及时间，实现了对纳米碳质薄膜光电性能的可控调节。对于薄膜的图形化，首先利用光刻技术在碳质薄膜上形成具有相应图形的保护性图层，对需要保留的薄膜进行保护，然后采用臭氧对薄膜进行氧化处理，绝缘或刻蚀未被保护而暴露在臭氧中的薄膜，最后去除起保护作用的图层，从而得到图形化的纳米碳质薄膜。由于臭氧在常压及较低温度下便可与碳材料反应，因此不需要传统工艺中的真空系统，降低了成本，而且本发明所用的设备不受真空系统的限制，很容易实现放大。本发明的有益效果是:1、本发明提出了一种利用臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，可以只通过简单调节臭氧处理的温度、流量及作用时间达到调控纳米碳质薄膜光电性能的目的，有利于薄膜在未来光电子器件等领域的应用。2、本发明提出的图形化方法，可以在常压、低温下获得纳米碳质薄膜图形，避免使用真空系统等复杂设备，降低了成本。3、本发明提出的图形化方法与现有集成电路工艺兼容，工艺可重复性好，装置易放大，有望使用在批量的图形化生产工艺中。
图1为臭氧与石墨烯薄膜作用过程的原位电学测量结果。其中，Ca)图为不同臭氧处理温度下，Inm厚石墨烯薄膜电阻随处理时间的变化；(b)图为臭氧处理初始阶段的电阻下降。图2为120°C下臭氧与石墨烯薄膜作用过程的吸收透射光谱研究。其中，(a)图为吸收光谱随臭氧处理时间的变化；(b)图为透射光谱随臭氧处理时间的变化。图3为臭氧图形化纳米碳质薄膜的工艺流程图。图4为臭氧图形化石墨烯的光学照片和拉曼光谱面扫分析。其中，(a)图和(b)图为石墨烯图形化后的不同比例光学照片；(C)图为图形化后的拉曼光谱面扫照片；(d)图为对应于图形不同部分的拉曼光谱。图5为臭氧图形化的碳纳米管薄膜图形的扫描电镜照片。其中，(a)图为条形图案；(b)图为较大倍数下的方形图案。
具体实施例方式本发明方法通过调节臭氧的处理温度、流量及时间，在常压下即可实现对纳米碳质薄膜电学和光学性能的调控。利用光刻工艺，在纳米碳质薄膜上预制具有相应图形的保护性图层，然后采用臭氧在一定条件下对其进行氧化处理，以绝缘或去除未被保护的部分，被保护的部分则仍然保留原来性质，从而得到具有相应图案的纳米碳质薄膜，实现了纳米碳质薄膜的图形化。本发 明所涉及工艺易于操作，与传统的集成电路工艺相兼容，解决了现有图形化技术中需要真空系统，设备复杂并且耗时等问题，是一种高效、便捷的调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化方法，为纳米碳质薄膜在透明电极，薄膜场效应晶体管以及生物化学传感器等方面的应用提供了技术保障。本发明具体过程如下:1、采用直接转移法、喷涂法等方法在特定基体上制备纳米碳质薄膜，石墨烯薄膜的厚度为1-lOnm，碳纳米管及其与石墨烯的复合薄膜的厚度为l-100nm。 2、将纳米碳质薄膜加热到特定温度(20-200 °C )，使用不同流量(0.1-lOOOL/min)的臭氧对碳质薄膜处理不同时间(l-60min)，在常压下实现对薄膜光学和电学性能的调控。3、利用光刻工艺在薄膜上制备保护性预图形图层，保护性图层为正、负光刻胶。4、将有预图形图层保护的纳米碳质薄膜在常压下置于臭氧中进行处理，根据不同需求，可以调节图形化的温度以及臭氧的流量。对于非刻蚀(用绝缘的部分隔离导电部分)的图案化，优选的处理温度为80-120°C、臭氧流量为10-1000L/min、处理时间为l_30min。对于刻蚀性图案化，优选的处理温度为150-200°C、臭氧流量为10-1000L/min、处理时间为30_60mino5、去除起保护作用的预图形，得到图形化的纳米碳质薄膜。实施例1将CVD生长的Inm厚石墨烯薄膜转移到含有SiO2层的Si片上，用流量10L/min的臭氧在不同温度下(20-120°C )对石墨烯薄膜进行处理，从图1原位电学测试发现，通过调控处理的温度及时间，可以实现对石墨烯薄膜电阻在100 Ω-1OGQ范围内调控。如图1所示，本实施例中，具体处理条件:(I)未处理时，石墨烯薄膜电阻1.3ΚΩ ；(2)处理温度201:，臭氧流量10L/min，处理时间为10min、30min和60min时，石墨烯薄膜电阻分别为300 Ω、700 Ω和900 Ω ；(3)处理温度50°C,臭氧流量10L/min,处理时间15min和30min时,石墨烯薄膜电阻分别为2ΚΩ和4ΚΩ ;(4)处理温度80°C,臭氧流量10L/min,处理时间15min和30min时,石墨烯薄膜电阻分别为IOM Ω和IGQ ；(5)处理温度100°C,臭氧流量10L/min,处理时间1.5min和3min时,石墨烯薄膜电阻50ΜΩ和IGQ ；(6)处理温度120°C，臭氧流量10L/min，处理时间1.5min，石墨烯薄膜电阻IGQ。实施例2与实施例1不同之处在于:将CVD生长的Inm厚石墨烯薄膜转移到石英上，用流量10L/min的臭氧在120°C下对石墨烯薄膜进行处理，从图2吸收光谱与透射光谱测试结果发现，通过调控处理的温度及处理时间，可以实现对石墨烯透光率在95%-98.5%范围内的调控。如图2所示，本实施例中，具体处理条件:(I)未经臭氧处理时，吸光`率为0.06，透光率为97.1% ；(2)处理温度120°C，处理时间10秒，臭氧流量101711^11，吸光率为0.055，透光率97.2% ；(3)处理温度120°C，处理时间30秒，臭氧流量10L/min，吸光率为0.04，透光率97.4% ；(4)处理温度120°C，处理时间60秒，臭氧流量10L/min，吸光率为0.038，透光率
97.7% ；(5)处理温度120°C，处理时间90秒，臭氧流量10L/min，吸光率为0.023，透光率
98.1%。实施例3与实施例1不同之处在于:将含有SiO2层的Si片上8nm石墨烯薄膜,用流量20L/min的臭氧在不同温度下(20-120 V )对石墨烯薄膜进行处理，实现了石墨烯薄膜电阻在30 Ω -1OG Ω范围内的调控。本实施例中，具体处理条件:(I)未处理时，石墨烯薄膜电阻50Ω ;(2)处理温度20°C,臭氧流量20L/min,处理时间10min、30min和60min时,石墨烯薄膜电阻分别为30 Ω、100 Ω和600 Ω。(3)处理温度50°C,臭氧流量20L/min,处理时间15min和30min,石墨烯薄膜电阻分别为1ΚΩ和4ΚΩ ;(4)处理温度80°C,臭氧流量20L/min,处理时间15min和30min,石墨烯薄膜电阻分别为20ΜΩ和IGQ ；
(5)处理温度100°C,臭氧流量20L/min,处理时间1.5min和3min,石墨烯薄膜电阻分别为50MQ和IGQ ；(6)处理温度120°C，臭氧流量20L/min，处理时间1.5min，石墨烯薄膜电阻IGQ。实施例4与实施例1不同之处在于:利用喷涂法等方法在含有SiO2层的Si片上制备厚度为50nm的单壁碳纳米管薄膜，用流量10L/min的臭氧在不同温度下(20-120°C)对碳纳米管薄膜进行处理，通过调控处理的温度及时间，实现碳纳米管薄膜电阻在1KQ-10GQ范围内的调控。本实施例中，具体处理条件:(I)未处理时，碳纳米管薄膜电阻1.5KQ ;(2)处理温度20°C,臭氧流量10L/min,处理时间10min、30min和60min时,碳纳米管薄膜电阻分别为1KQU.2KQ和1.5KQ ；(3)处理温度50°C,臭氧流量10L/min,处理时间15min和30min时,碳纳米管薄膜电阻分别为2K Q 5K Q ；(4)处理温度80°C,臭氧流量10L/min,处理时间15min和30min时,碳纳米管薄膜电阻分别为IOMQ和IGQ ；(5)处理温度100°C,臭氧流量10L/min,处理时间1.5min和3min时,碳纳米管薄膜电阻分别为50MQ和IGQ ；(6)处理温度120°C，臭氧流量10L/min，处理时间1.5min，碳纳米管薄膜电阻为IGQ。实施例5与实施例1不同之处在于:利用喷涂法等方法在含有SiO2层的Si片上制备厚度为50nm的少壁碳纳米管薄膜，用流量10L/min的臭氧在不同温度下(20-120°C)对碳纳米管薄膜进行处理，通过调控处理的温度及处理时间，实现对碳纳米管薄膜电阻在1KQ-10GQ范围内的调控。本实施例中，具体处理条件:(I)未处理时，碳纳米管薄膜电阻1.5KQ ;(2)处理温度20°C,臭氧流量10L/min,处理时间10min、30min和60min,碳纳米管薄膜电阻分别为IKQ、1.2KQ和1.5KQ ；(3)处理温度50°C,臭氧流量10L/min,处理时间15min和30min,碳纳米管薄膜电阻分别为2K Q 5K Q ；(4)处理温度80°C,臭氧流量10L/min,处理时间15min和30min,碳纳米管薄膜电阻分别为IOMQ和IGQ ；(5)处理温度100°C,臭氧流量10L/min,处理时间1.5min和3min,碳纳米管薄膜电阻50MQ和IGQ ；(6)处理温度120°C，臭氧流量10L/min，处理时间1.5min，碳纳米管薄膜电阻为
1.5GQ。实施例6与实施例1不同之处在于:
利用喷涂法等方法在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基体上制备厚度为80nm的单壁碳纳米管薄膜，用流量50L/min的臭氧在不同温度下(20_120°C )对碳纳米管薄膜进行处理，通过调控处理的温度及处理时间，实现对碳纳米管薄膜透光率在50%-100%范围内的调控。本实施例中，具体处理条件:(I)未经臭氧处理时，透光率为50% ；(2)处理温度20°C，处理时间60min，臭氧流量50L/min，碳纳米管薄膜透光率为60% ；(3)处理温度50°C，处理时间60min，臭氧流量50L/min，碳纳米管薄膜透光率为75% ；(4)处理温度80°C，处理时间30min，臭氧流量50L/min，碳纳米管薄膜透光率为80% ；(5)处理温度100°C，处理时 间15min，臭氧流量50L/min，碳纳米管薄膜透光率为95% ；(6)处理温度120°C，处理时间5min，臭氧流量50L/min，碳纳米管薄膜透光率为
100% O实施例7与实施例1不同之处在于:利用喷涂法等方法在聚酰亚胺(PI)基体上制备厚度为50nm的单壁碳纳米管与石墨烯的复合薄膜，用流量30L/min的臭氧在不同温度下(20_120°C )对碳纳米管薄膜进行处理，通过调控处理的温度及处理时间，实现对薄膜电阻在800 Ω-1OG Ω范围内的调控。本实施例中，具体处理条件:(I)未处理时，复合薄膜电阻1ΚΩ ;(2)处理温度20°C,臭氧流量30L/min,处理时间10min、30min和60min,复合薄膜电阻分别为800Ω、1.2ΚΩ和1.5ΚΩ ；(3)处理温度50°C,臭氧流量30L/min,处理时间15min和30min,复合薄膜电阻分别为2ΚΩ和5ΚΩ ;(4)处理温度80°C,臭氧流量30L/min,处理时间15min和30min,复合薄膜电阻分别为IOMΩ和IGQ ；(5)处理温度100°C,臭氧流量30L/min,处理时间1.5min和3min,复合薄膜电阻分别为50ΜΩ和IGQ ；(6)处理温度120°C，臭氧流量30L/min，处理时间1.5min，复合薄膜电阻IGQ。实施例8与实施例1不同之处在于:利用喷涂法等方法在米拉薄膜(Mylar)基体上制备厚度为50nm的单壁碳纳米管薄膜，用流量10L/min的臭氧在不同温度下(20_120°C )对碳纳米管薄膜进行处理，通过调控处理的温度及处理时间，实现对碳纳米管薄膜电阻在1ΚΩ-106Ω范围内的调控。本实施例中，具体处理条件:(I)未处理时，碳纳米管薄膜电阻1.5ΚΩ ；
(2)处理温度20°C,臭氧流量10L/min,处理时间10min、30min和60min,碳纳米管薄膜电阻分别为IKQ、1.2KQ和1.5KQ ；(3)处理温度50°C,臭氧流量10L/min,处理时间15min和30min,碳纳米管薄膜电阻分别为2K Q 5K Q ；(4)处理温度80°C,臭氧流量10L/min,处理时间15min和30min,碳纳米管薄膜电阻分别为IOMQ和IGQ ；(5)处理温度100°C,臭氧流量10L/min,处理时间1.5min和3min,碳纳米管薄膜电阻分别为50MQ和IGQ ；(6)处理温度120°C，臭氧流量10L/min，处理时间1.5min，碳纳米管薄膜电阻IGQ。实施例9采用如图3所示的流程，在含有SiO2层的Si片上制备Inm厚的石墨烯薄膜，利用标准的光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面制备约Ium厚的光刻胶预图形图层。将含有预图形的纳米碳质薄膜在120°C、10L/min的臭氧中处理时间90秒，使暴露在臭氧中的部分绝缘。最后，用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案(图4)。实施例10·
与实施例9不同之处在于:在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基体上制备Inm厚单层石墨烯薄膜，采用标准的光刻工艺在石墨烯薄膜上形成约I Pm厚光刻胶图形。将含有光刻胶图形的薄膜在120°C、10L/min臭氧中进行处理时间90秒。最后用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例11与实施例9不同之处在于:在聚四氟乙烯(PTFE)片上制备3nm厚的石墨烯薄膜，利用标准的光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面制备约I Pm厚的光刻胶预图形图层。将含有预图形的薄膜在120°C、50L/min的臭氧中处理时间90秒，使暴露在臭氧中的部分绝缘。最后，用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例12与实施例9不同之处在于:在含有SiO2层的Si片上制备Inm厚的石墨稀薄I旲,利用标准的光刻工艺,在纳米碳质薄膜表面制备约I Pm厚的光刻胶预图形图层。将含有预图形的薄膜在120°C、100L/min的臭氧中处理时间60秒，使暴露在臭氧中的部分绝缘。最后，用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例13与实施例9不同之处在于:采用如图3所示的流程，在含有300nm SiO2层的Si片上制备50nm厚单壁碳纳米管薄膜，利用标准的光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面制备约Ium厚的光刻胶预图形。将含有预图形的薄膜在135°C、10L/min臭氧中处理时间180秒，使暴露在臭氧中的部分刻蚀。最后用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案(图5)。
实施例14与实施例9不同之处在于:在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基体上制备50nm厚单壁碳纳米管薄膜，采用标准的光刻工艺在碳纳米管薄膜上形成约Iym厚光刻胶预图形。将含有光刻胶图形的薄膜在135°C，10L/min臭氧中处理时间180秒。最后用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例15与实施例9不同之处在于:在含有300nm SiO2层的Si片上制备50nm厚单壁碳纳米管与石墨烯复合薄膜,利用标准的光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面制备约Iym厚的光刻胶预图形。将含有预图形的薄膜在200°C、10L/min臭氧中处理时间90秒，使暴露在臭氧中的部分刻蚀。最后用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例16与实施例9不同之处在于:在含有300nm SiO2层的Si片上制备50nm厚单壁碳纳米管薄膜，利用标准的光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面制备约I μ m厚的光刻胶预图形。将含有预图形的薄膜在135°C、100L/min臭氧中处理时间90秒，使暴露在臭氧中的部分刻蚀。最后用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例17与实施例9不同之处在于:采用如图3所示的流程，在含有300nm SiO2层的Si片上制备50nm厚少壁碳纳米管薄膜，利用标准的光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面制备约Iym厚的光刻胶预图形。将含有预图形的薄膜在135°C、10L/min臭氧中处理时间180秒，使暴露在臭氧中的部分刻蚀。最后用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例18与实施例9不同之处在于:在含有300nm SiO2层的Si片上制备50nm厚少壁碳纳米管薄膜，利用标准的光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面制备约I μ m厚的光刻胶预图形。将含有预图形的薄膜在200°C、10L/min臭氧中处理时间90秒，使暴露在臭氧中的部分刻蚀。最后用去胶液将薄膜上的光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例19与实施例9不同之处在于:在聚醚酰亚胺(PEI)基体上制备50nm厚少壁碳纳米管薄膜，采用标准的光刻工艺在碳纳米管薄膜上形成约I μ m厚光刻胶预图形。将含有光刻胶图形的薄膜在135°C、10L/min臭氧中处理时间180秒。最后用去胶液将光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例20与实施例9不同之处在于:在含 有300nm SiO2层的Si片上制备50nm厚碳纳米管与石墨烯复合薄膜,采用标准的光刻工艺在碳纳米管薄膜上形成约Ium厚光刻胶预图形。将含有光刻胶图形的薄膜在150°C、10L/min臭氧中处理时间180秒。最后用去胶液将光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例21与实施例9不同之处在于:在聚醚酰亚胺(PEI)基体上制备80nm厚碳纳米管与石墨烯复合薄膜，采用标准的光刻工艺在碳纳米管薄膜上形成约I Pm厚光刻胶预图形。将含有光刻胶图形的薄膜在120°C、10L/min臭氧中处理时间45分钟。最后用去胶液将光刻胶保护性图层去除，清洗，吹干，得到特定的图案。实施例结果表明，臭氧由于较强的氧化性，可以在常压、较低的温度下对碳纳米材料进行氧化。在不同的条件下臭氧可以有效地调控纳米碳质薄膜的电学和光学性能，利用这一特点可以达到用绝缘部分将薄膜导电部分隔离开的效果，而且可以对其进行刻蚀，从而实现纳米碳质薄膜的图形化。臭氧分解只产生氧气，不会对环境造成污染，是一种环境友好型方法。同 时，利用臭氧对碳质薄膜进行图形化设备简单，成本低廉，容易实现工业化。
权利要求
1.一种臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，其特征在于:在常压下利用臭氧处理对石墨烯、碳纳米管及其复合薄膜的光电性能进行调控并对其图形化，具体如下: (1)纳米碳质薄膜光电性能调控 首先在承载基体上制备纳米碳质薄膜，然后通过调节臭氧处理温度、流量及时间，在常压下实现对纳米碳质薄膜电学和光学性能的调控，具体处理条件:臭氧处理温度为20-200°C，臭氧流量为0.1-1000 L/min，处理时间为1-60 min ;薄膜的电阻调控范围为30 Ω-10GQ，透光率调控范围为50%-100% ； (2)纳米碳质薄膜图形化 首先通过光刻工艺，在纳米碳质薄膜表面上预制具有相应图形的保护性图层，然后在常压下置于臭氧中进行处理，以绝缘或去除未被保护的部分，最后将起保护作用的保护性图层去除，得到具有相应图案的纳米碳质薄膜；其中，薄膜未被保护部分经臭氧处理后，或为绝缘状态或被刻蚀掉，而被保护性图层保护的部分则保留原有纳米碳质薄膜的特性，从而实现了纳米碳质薄膜的图形化。
2.按照权利要求1所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，其特征在于:所用纳米碳质薄膜为石墨烯、碳纳米管或其复合薄膜，碳纳米管为单壁碳纳米管或少壁碳纳米管；其中，石 墨烯薄膜的厚度为1- 10 nm，碳纳米管及其与石墨烯的复合薄膜的厚度为 1- 100 nm。
3.按照权利要求2所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，其特征在于:石墨烯薄膜的厚度优选为1-8 nm，碳纳米管及其与石墨烯的复合薄膜的厚度为20-100nm。
4.按照权利要求1所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，其特征在于:根据不同需求，调节图形化的温度以及臭氧的流量；其中，对于非刻蚀的图形化，非刻蚀为用绝缘的部分隔离导电部分，具体处理条件:臭氧处理温度为20-120°C，臭氧流量为0.1-1000 L/min，处理时间为1_30 min ;对于刻蚀性图形化，具体处理条件:臭氧处理温度为120-200°C、臭氧流量为0.1-1000 L/min，处理时间为30-60 min。
5.按照权利要求4所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，其特征在于:对于非刻蚀的图形化，具体处理条件优选为:臭氧处理温度为80-120 °C，臭氧流量为10-1000 L/min，处理时间为1-30 min ;对于刻蚀性图形化，具体处理条件优选为:臭氧处理温度为150-200 °C、臭氧流量为10-1000 L/min，处理时间为30-60 min。
6.按照权利要求1所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，其特征在于:利用光刻工艺在纳米碳质薄膜上制备具有相应图形的保护性图层，图形化所用的保护性图层采用的光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。
7.按照权利要求1所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，其特征在于:所用的承载基体采用硅片、石英片、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚丙烯二酯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或米拉。
8.按照权利要求1所述的臭氧调控纳米碳质薄膜光电性能及图形化的方法，其特征在于:去除起保护作用的保护性图层，得到图形化的纳米碳质薄膜。
全文摘要
本发明涉及纳米碳质薄膜的器件制作工艺，具体为一种利用臭氧处理对石墨烯、碳纳米管及其复合薄膜的光电性能进行调控并对其图形化的方法，适用于基于石墨烯或碳纳米管薄膜的电子器件及生物化学传感器等。该方法通过调节臭氧的处理温度、流量及时间，在常压下实现对纳米碳质薄膜电学和光学性能的调控。利用光刻工艺，在纳米碳质薄膜上预制具有相应图形的保护性图层，然后采用臭氧进行氧化处理，以绝缘或去除未被保护的部分，被保护的部分则仍然保留原来性质，从而得到具有相应图案的纳米碳质薄膜，实现了纳米碳质薄膜的图形化。本发明易于操作，与传统的集成电路工艺相兼容，解决了现有图形化技术中需要真空系统，设备复杂并且耗时等问题。
文档编号B82Y30/00GK103241709SQ20131015635
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月29日 优先权日2013年4月29日
发明者杜金红, 袁江潭, 苏阳, 马来鹏, 裴嵩峰, 成会明 申请人:中国科学院金属研究所