一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件及其制备方法

1.本技术涉及超滑技术领域，特别是涉及一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件及其制备方法。


背景技术：

2.结构超滑是指两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面(如石墨烯、二硫化钼等二维材料表面)之间摩擦、磨损几乎为零的现象。目前，结构超滑器件中的超滑片大多为片状或岛状，超滑片与基底接触并相对运动时，超滑片下表面范德华材料的边缘和基底之间存在界面化学键，会产生化学键等相互作用。相比于范德华材料面内完整的晶格，边缘部分产生了更为显著的摩擦力，并提高了超滑器件发生磨损的风险。
3.因此，如何消除超滑片中二维材料边缘与基底之间的摩擦力是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件及其制备方法，以消除超滑片边缘与基底之间的摩擦力和磨损。
5.为解决上述技术问题，本技术提供一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件，包括：
6.超滑片，所述超滑片中二维材料的边缘向背离超滑面的方向翘曲；
7.设于所述超滑片预设表面全部区域的薄膜层，其中，所述薄膜层在退火条件下产生体积收缩和热应力使所述超滑片的边缘翘曲，所述预设表面与所述超滑面相背。
8.可选的，还包括：
9.设于所述薄膜层和所述超滑片之间的粘附层，且所述粘附层的边缘向背离超滑面的方向翘曲。
10.可选的，所述粘附层为金属层。
11.可选的，所述薄膜层包括多层薄膜。
12.可选的，所述薄膜层厚度在50至500nm之间，且所述边缘翘起高度在0.1至1nm之间。
13.可选的，所述超滑片的形状为圆形、正方形、矩形、椭圆形中的任一种。
14.可选的，所述超滑片包括多层二维材料。
15.可选的，还包括：
16.与所述超滑片的所述超滑面接触的基底。
17.本技术还提供一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件的制备方法，包括：
18.在基底预设表面的全部区域形成薄膜层；
19.刻蚀所述薄膜层和所述基底，得到第一超滑岛结构体，所述第一超滑岛结构体包括超滑岛和覆盖于超滑岛预设表面全部区域的所述薄膜层；
20.在惰性气体氛围中，对所述第一超滑岛结构体进行退火处理，所述薄膜层在退火
条件下产生体积收缩和热应力使所述超滑岛的边缘向背离超滑面的方向翘曲以形成超滑片，得到应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件；所述预设表面与所述超滑面相背。
21.可选的，当所述薄膜层为su-8光刻胶，在基底预设表面的全部区域形成薄膜层之前，还包括：
22.在基底预设表面的全部区域沉积粘附层；
23.刻蚀所述粘附层和所述基底，得到第二超滑岛结构体，所述第二超滑岛结构体包括超滑岛和覆盖于超滑岛预设表面全部区域的所述粘附层；
24.相应的，在基底预设表面的全部区域形成薄膜层包括：
25.在所述第二超滑岛结构体上涂覆su-8光刻胶；
26.相应的，刻蚀所述薄膜层和所述基底，得到第一超滑岛结构体包括：
27.刻蚀su-8光刻胶得到第三超滑岛结构体，所述第三超滑岛结构体包括超滑岛、在超滑岛预设表面全部区域层叠的所述粘附层和su-8光刻胶；
28.相应的，对所述第一超滑岛结构体进行退火处理，所述薄膜层在退火条件下产生体积收缩和热应力使所述超滑岛的边缘向背离超滑面的方向翘曲以形成超滑片包括：
29.对所述第三超滑岛结构体进行退火处理，所述su-8光刻胶在退火条件下产生体积收缩和热应力使所述超滑岛的边缘向背离超滑面的方向翘曲以形成超滑片，并使所述粘附层的边缘向背离超滑面的方向翘曲。
30.本技术所提供的一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件，包括：超滑片，所述超滑片中二维材料的边缘向背离超滑面的方向翘曲；设于所述超滑片预设表面全部区域的薄膜层，其中，所述薄膜层在退火条件下产生体积收缩和热应力使所述超滑片的边缘翘曲，所述预设表面与所述超滑面相背。
31.可见，本技术中的结构超滑器件包括超滑片和薄膜层，薄膜层位于超滑片预设表面的全部区域，该薄膜层在退火条件下可以产生体积收缩和热应力，从而使得超滑片的边缘发生翘曲，即边缘部分抬起一定的高度，从而避免超滑片的边缘与基底之间接触，消除超滑片与基底之间的摩擦力，避免产生磨损。
32.此外，本技术还提供一种具有上述优点的制备方法。
附图说明
33.为了更清楚的说明本技术实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术实施例所提供的一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件的结构示意图；
35.图2为本技术实施例所提供的另一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件的结构示意图；
36.图3为本技术实施例所提供的一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件制备方法流程图；
37.图4为本技术实施例所提供的另一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件制备方法
流程图；
38.图5至图9为本技术实施例所提供的一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件制备工艺流程图；
39.图10至图15为本技术实施例所提供的另一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件制备工艺流程图；
40.图中，1.超滑片，2.薄膜层，3.粘附层，4.基底，5.su-8光刻胶，6.高定向热解石墨，7.氮化硅薄膜，8.光刻胶。
具体实施方式
41.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
42.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
43.正如背景技术部分所述，目前，结构超滑器件中的超滑片与基底相对运动时，超滑片下表面的边缘和基底之间存在界面化学键，该界面化学键导致了极低的摩擦力，从而使得结构超滑器件中存在极低的磨损。
44.有鉴于此，本技术提供了一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件，请参考图1，包括：
45.超滑片1，所述超滑片1中二维材料的边缘向背离超滑面的方向翘曲；
46.设于所述超滑片1预设表面全部区域的薄膜层2，其中，所述薄膜层2在退火条件下产生体积收缩和热应力使所述超滑片1的边缘翘曲，所述预设表面与所述超滑面相背。
47.需要指出的是，本技术中对薄膜层2的结构不做限定，例如，所述薄膜层2为单层薄膜，或者所述薄膜层2包括多层薄膜。
48.薄膜层2的材料包括但不限于高分子聚合物材料、氧化物介质材料、氮化物介质材料，只要可以在退火条件下产生体积收缩和热应力驱动超滑片1的边缘整齐的产生翘曲即可。例如，薄膜层2可以为氮化硅薄膜，退火过程中氮化硅薄膜中的si-h、n-h键断开，氢原子之间形成氢气从氮化硅薄膜中扩散出来，而氮化硅薄膜内形成悬键和微孔。这种原子重排会使得氮化硅薄膜体积收缩，此外退火降温过程中的热胀冷缩也会产生热应力，在退火过程会产生1.4gpa左右的本征拉应力，在此应力的作用下其下方的超滑片1会产生翘曲，边缘部分从超滑面抬起约20nm。薄膜层2可以为su-8光刻胶，退火过程中su-8光刻胶内部组分发生交联反应，体积收缩，同时退火的冷却过程中也会由于热胀冷缩产生热应力。su-8光刻胶内的应力会使下方的超滑片1发生翘曲，边缘翘起0.1～1μm。其中，氮化硅薄膜的厚度可以在100～500nm之间，su-8光刻胶的厚度可以在1～10μm之间。
49.需要说明的是，本技术中对超滑片1的结构也不做限定，可自行设置。例如，所述超滑片1包括多层二维材料，或者超滑片1为单层二维材料的超滑片。
50.超滑片1可以为二维导体超滑片、二维半导体超滑片、二维绝缘超滑片，均在本申
请的保护范围内。其中，二维导体超滑片的材料包括但不限于石墨、石墨烯、二硫化铌、二硫化钽，二维半导体超滑片的材料包括但不限于二硫化钼、二硒化钨、二硫化钨、黑磷，二维绝缘超滑片的材料包括但不限于六方氮化硼、云母。
51.所述超滑片1的形状可以为圆形、正方形、矩形、椭圆形中的任一种，或者其他任意不规则的形状，本技术不做具体限定。
52.可选的，所述薄膜层2厚度可以在50至500nm之间，且所述边缘翘起高度可以在0.1至1nm之间。
53.本技术中将薄膜层2设置在超滑片1预设表面的全部区域，相较于仅在超滑片预设表面边缘区域设置薄膜层具有如下优势：1、薄膜层2收缩后的拉力更强，使得二维材料边缘翘曲的角度更大，能够达到更好的超滑效果；2、薄膜层2加工难度更小，能够应用于更小型的超滑片中，不需要在超滑片的表面进行构图，工艺更加简单，而仅在超滑片的边缘设置薄膜层的方案应用于小型的超滑片中会存在拉力不够、无法翘曲的现象；3、薄膜层2全覆盖在超滑片1预设表面可以适用于各类形状，且便于后续岛盖等的装配，不会存在凹凸不平的结构。
54.本技术中的结构超滑器件包括超滑片1和薄膜层2，薄膜层2位于超滑片1预设表面的全部区域，该薄膜层2在退火条件下可以产生体积收缩和热应力，从而使得超滑片1的边缘发生翘曲，即边缘部分抬起一定的高度，从而避免超滑片1的边缘与基底之间接触，消除超滑片1与基底之间的摩擦力，避免产生磨损。
55.请参考图2，在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件还包括：
56.设于所述薄膜层2和所述超滑片1之间的粘附层3，且所述粘附层3的边缘向背离超滑面的方向翘曲。
57.所述粘附层3可以为金属层，或者其他可以增强薄膜层2与超滑片1之间粘附力的膜层。其中，金属层可以为金层、钛层等。
58.在退火过程中，粘附层3的边缘与超滑片1的边缘一同在薄膜层2产生的应力下发生翘曲。粘附层3的厚度可以为100nm。
59.在上述任一实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，结构超滑器件还包括：
60.与所述超滑片1的所述超滑面接触的基底。
61.基底与超滑片1接触的表面也为超滑表面，由于超滑片1的边缘翘曲，超滑片1与基底之间为点接触。
62.基底的材料可以为石墨、hopg(highly oriented pyrolytic graphite，高定向热解石墨)、石墨烯、二硫化钼、铋、钼、云母中的任一种。
63.本技术还提供一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件的制备方法，请参考图3，该方法包括：
64.步骤s101：在基底预设表面的全部区域形成薄膜层。
65.薄膜层的形成方式可以根据薄膜层的材料而定，例如，当薄膜层的材料为氧化物介质材料、氮化物介质材料(如氮化硅)时，可以采用等离子体增强化学气相沉积法，当薄膜层的材料为su-8光刻胶时，可以采用旋涂的方式形成薄膜层。
66.步骤s102：刻蚀所述薄膜层和所述基底，得到第一超滑岛结构体，所述第一超滑岛
结构体包括超滑岛和覆盖于超滑岛预设表面全部区域的所述薄膜层。
67.在薄膜层的上表面涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光和显影，形成图形化掩膜；根据图形化掩膜进行刻蚀，得到第一超滑岛结构体。基底的刻蚀深度可以为1～3μm。
68.在刻蚀之后，去掉光刻胶。
69.步骤s103：在惰性气体氛围中，对所述第一超滑岛结构体进行退火处理，所述薄膜层在退火条件下产生体积收缩和热应力使所述超滑岛中二维材料的边缘向背离超滑面的方向翘曲以形成超滑片，得到应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件；所述预设表面与所述超滑面相背。
70.退火条件根据薄膜层的材料而定，例如，当薄膜层为氮化硅薄膜时，退火温度可以为400～800℃，退火时间可以为10～60分钟；当薄膜层为su-8光刻胶时，退火温度可以为200℃，退火时间可以为20分钟。
71.本技术制备方法制得的结构超滑器件包括超滑片和薄膜层，薄膜层位于超滑片预设表面的全部区域，该薄膜层在退火条件下可以产生体积收缩和热应力，从而使得超滑片的边缘发生翘曲，即边缘部分抬起一定的高度，从而避免超滑片的边缘与基底之间接触，极大地降低超滑片与基底之间的摩擦力，避免产生磨损。
72.本技术还提供另一种应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件的制备方法，请参考图4，当所述薄膜层为su-8光刻胶，该方法包括：
73.步骤s201：在基底预设表面的全部区域沉积粘附层。
74.当粘附层3为金属层时，可以采用电子束蒸发法在基底4上沉积粘附层3，金属层的厚度可以为100nm，如图5所示。
75.步骤s202：刻蚀所述粘附层和所述基底，得到第二超滑岛结构体，所述第二超滑岛结构体包括超滑岛和覆盖于超滑岛预设表面全部区域的所述粘附层。
76.在粘附层上旋涂光刻胶，并进行光刻得到尺寸4～10μm的石墨岛图案。采用反应离子刻蚀法先后刻蚀掉粘附层3和基底4(基底刻蚀深度1～3μm)得到第二超滑岛结构体，如图6所示。刻蚀完成之后，将光刻胶去除。
77.步骤s203：在所述第二超滑岛结构体上涂覆su-8光刻胶。
78.su-8光刻胶5分布在粘附层3的表面以及超滑岛之间的缝隙中，如图7所示。su-8光刻胶厚度在1～10μm之间。
79.步骤s204：刻蚀su-8光刻胶得到第三超滑岛结构体，所述第三超滑岛结构体包括超滑岛、在超滑岛预设表面全部区域层叠的所述粘附层和su-8光刻胶。
80.使用与步骤s202相同图案进行套刻，得到第三超滑岛结构体，如图8所示。
81.步骤s205：在真空或惰性气体氛围中，对所述第三超滑岛结构体进行退火处理，所述su-8光刻胶在退火条件下产生体积收缩和热应力使所述超滑岛中二维材料的边缘向背离超滑面的方向翘曲以形成超滑片，并使所述粘附层的边缘向背离超滑面的方向翘曲，得到应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件；所述预设表面与所述超滑面相背。
82.在真空或惰性气体氛围中200℃退火20min左右，得到结构超滑器件，如图9所示。
83.本实施例中通过在su-8光刻胶与超滑片之间沉积粘附层，增强su-8光刻胶与超滑片之间的粘附性，从而使超滑片的边缘在退火过程中很好的翘曲。
84.下面以在高定向热解石墨上沉积氮化硅薄膜为例，对本技术中的制备方法进行进
一步介绍。
85.步骤1、请参考图10，采用等离子体增强化学气相沉积法在高定向热解石墨6表面沉积一层氮化硅薄膜7，氮化硅薄膜7厚度100～500nm；
86.步骤2、请参考图11至图12，在氮化硅薄膜7表面旋涂光刻胶8并进行电子束曝光，得到尺寸4～10μm的石墨岛图案；
87.步骤3、请参考图13至图14，采用反应离子刻蚀先后刻蚀掉氮化硅薄膜7和高定向热解石墨6，并去除光刻胶，得到石墨岛结构体，其中，高定向热解石墨6刻蚀深度1～3μm；
88.步骤4、请参考图15，将得到的石墨岛结构体在惰性气体氛围中400～800℃退火10-60min，得到结构超滑器件。
89.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
90.以上对本技术所提供的应力驱动边缘翘曲的结构超滑器件及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。