一种微米级含有金属电极的石墨烯层的加工和转移的方法与流程

本发明涉及石墨烯的加工技术领域，更具体地，涉及一种含有金属电极的石墨烯层的加工和转移的方法。

背景技术：

石墨烯是一种由单层碳原子构成的，具有蜂窝状分子结构的二维材料，于2014年由英国科学家geim等人首次在实验室中制备得到。石墨烯具有许多优异的性质，如：良好的耐蚀性，耐酸耐碱，化学性质稳定；极高的载流子迁移率，电子迁移率可达到15000cm²/(v•s)，且几乎不会受到温度的影响；导热性能突出，导热系数为5300w/(m•k)；电阻率低，仅约10^-6ω•cm；透光性强，对光线有90%以上的透过率。

这些优点使得石墨烯在光电子器件、微电子器件等领域具有极为广阔的应用前景。但只有实现对石墨烯有效的图形化加工，使之符合器件结构的要求，才能让石墨烯获得更可靠的实用化应用。

现阶段，石墨烯图形加工方案主要有如下几种：激光法：通过控制激光扫描线路，在扫除多余石墨烯的过程中获得图形；原子力显微镜法：在原子力显微镜针尖施加电压，在扫描过程中，针尖与石墨烯碳原子相互作用，形成所设计的加工图形；掩膜刻蚀法：是指通过物理掩膜或者光刻胶掩膜，覆盖住需要保留的石墨烯部分，利用液相或等离子体刻蚀掉其余部分，以此获得石墨烯图形。

上述方法均存在一定的缺陷。激光刻蚀法的缺陷在于：成本高，操作复杂，激光刻蚀速率慢。原子力显微镜法的缺陷在于：工作速率慢，只能制备纳米尺度石墨烯沟道，无法形成与现有微电子器件相适配的图形；掩膜刻蚀法通常只能单独实现石墨烯转移或图形制备，即不能将制备好的石墨烯图形再次转移至其他衬底上，受到衬底材料的限制。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种可以在硅片二氧化硅面制备图形化的石墨烯，并通过湿法刻蚀转移至其他指定衬底材料的方法，克服了现有方法成本高，技术难，受限于衬底材料等缺点。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种微米级图案化石墨烯的加工和转移的方法，包括以下步骤（图1）：

s1.利用光刻技术中的正胶工艺，以及微电子工艺在二氧化硅衬底的石墨烯薄膜面制备所需的金属电极；

s2.采用光刻技术中的套刻技术，利用负胶工艺，在石墨烯面制备所需图形，得到图形化石墨烯层；

s3.去除的多余石墨烯，之后去除石墨烯表面的负光刻胶；

s4.在石墨烯表面制备粘附支撑保护层后，刻蚀液刻蚀二氧化硅层；

s5.洗净并烘干，剥离金属电极和图形化石墨烯层，并转移到新的衬底材料表面，去除粘附支撑保护层。

优选地，步骤s1中，正胶工艺采用az5214e胶。

优选地，步骤s1中，负胶工艺采用kxn5735-l0胶。

优选地，步骤s1中，金属电极层沉积技术包括但不限于磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀等。

优选地，步骤s5中，所述新的衬底材料要求表面平整。

优选地，步骤s3中，采用氧等离子体技术去除的多余石墨烯

更优选地，步骤s3中，采用氧等离子体技术去除的多余石墨烯时，氧等离子体作用时间为70～150s。

最更优选地，氧等离子体作用时间为90s。

优选地，步骤s4中，刻蚀液为能够与二氧化硅反应的强碱性溶液。

优选地，步骤s4中，刻蚀液为浓度为3～5mol/l的氢氧化钠溶液，蚀刻时间为10～25min。

优选地，步骤s4中，氢氧化钠溶液的浓度为4mol/l。

优选地，步骤s4中，氢氧化钠溶液的蚀刻时间为15min。

优选地，步骤s5中，用热释胶带整体剥离下金属电极和图形化石墨烯层，并转移到新的衬底材料表面，并去除热释胶带。

更优选地，步骤s5中，去除热释胶带的的方法为加热热释胶带到130℃，使热释胶带失效。

优选地，二氧化硅衬底的石墨烯薄膜制备方法为：取铜箔基底的石墨烯，在石墨烯一侧制备粘附支撑保护层，溶解铜箔，得到悬浮的石墨烯薄膜，利用分子间作用力，将悬浮的石墨烯薄膜机械转移至二氧化硅表面，烘干。

优选地，使用摩尔浓度为0.05～0.2mol/l的过硫酸铵溶液溶解铜箔。

更优选地，过硫酸铵溶液的摩尔浓度为0.1mol/l。

优选地，粘附支撑保护层为能够与石墨烯亲和的聚合物或者混合物层。

优选地，粘附支撑保护层为pmma层、pdms层或su8层。

更优选地，粘附支撑保护层为pmma层。

具体地，作为一种优选方案之一，制备pmma层的方法为旋涂法。

优选地，制备pmma层的方法为旋涂含pmma的溶液。

更优选地，制备pmma层的方法为旋涂含3～6%pmma的苯甲醚溶液，旋涂速率4000～8000r/min，旋涂时间50～90s，旋涂后烘干。

优选地，含pmma的苯甲醚溶液的浓度为5%。

优选地，旋涂速率6000r/min

优选地，旋涂时间60s。

优选地，去除粘附支撑保护层或负光刻胶的方法为依次放入丙酮、酒精、去离子水各浸泡，烘干。

优选地，浸泡时间为5～15min。

更优选地，浸泡时间为10min。

优选地，烘干的条件为60～90℃下烘干5～15min。

优选地，烘干的条件为70℃下烘烤10min。

任一所述方法制备得到的含有金属电极的石墨烯层也属于本发明的保护范围。

所述金属电极的石墨烯层在制备以石墨烯作为透明电极或者载流子传导结构的光电子或微电子器件的应用也属于本发明的保护范围。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、避免了激光法成本高、技术条件要求苛刻、刻蚀速率慢的缺陷，本发明可以通过简单易行的方法快速获得石墨烯图形。

2、本发明技术可以实现与当前微电子器件结构相适配的石墨烯图形，可以大尺寸大规模的制备图形化石墨烯，避免了原子力显微镜法只能制备纳米沟道而不能进行规模化、实用化生产的缺陷。

3、本发明提供了一种制备图形化石墨烯并将其与金属电极结构整体转移的方案，解决了在某些衬底上由于衬度差而无法进行套刻来制备复杂器件结构的问题，避免了衬底材料所造成的限制。

4、由于石墨烯材料耐酸碱，并由粘附支撑保护层所包覆，因而在整个制备过程中保证了石墨烯材料的质量，能够获得较为平坦、完整的石墨烯图形。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

图2为实施例1中在掺锌氧化镓薄膜表面制备得到的石墨烯叉指电极图形。

图3为石墨烯叉指电极相较于传统的金属叉指电极，显著提升了光电探测器的光电流。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1

一种制备指条长度500微米，指条间距、指条宽度均为10微米的石墨烯叉指电极，并转移至掺锌氧化镓薄膜表面作为透明电极的方法。

具体方法如下：

将生长好石墨烯的铜箔旋涂pmma（质量浓度5%），旋涂速率6000r/min，旋涂时间60s，旋涂后在70℃下烘烤10min，之后浸泡在摩尔浓度为0.1mol/l的过硫酸铵溶液中，至铜箔溶解，得到悬浮的石墨烯薄膜；

利用分子间作用力，转移石墨烯至二氧化硅面，在70℃下烘烤10min，去除水分子，将附着石墨烯的硅片依次放入丙酮、酒精、去离子水中各浸泡10min，然后在70℃下烘干，以去除石墨烯表面的pmma；

采用光刻技术，用bp218—14s正胶工艺，在石墨烯面沉积ti/au（20/80nm）电极；

采用光刻技术中的套刻技术，利用kxn5735-l0负胶工艺，在石墨烯面制备所设计的叉指电极图形；

将样品置于氧等离子体氛围中90s，用于去除多余的石墨烯，将样品依次放入丙酮、酒精、去离子水中各浸泡10min，然后在70℃下烘干，清洗负胶后得到石墨烯叉指电极图形；

在样品的石墨烯叉指电极面一侧旋涂pmma溶液，旋涂速率6000r/min，旋涂时间60s，旋涂后在70℃下烘烤10min，包覆pmma材料后，在4mol/l的氢氧化钠溶液中浸泡15min，，以刻蚀二氧化硅层，用等离子水洗净样品并烘干，后利用热释胶带剥离下整个金属电极和图形化石墨烯层；

利用分子间作用力将电极层转移至掺锌氧化镓薄膜表面后，加热样品，热释胶带在130℃下失效，并与金属电极和石墨烯层脱离，将样品依次放入丙酮、酒精、去离子水中各浸泡10min，然后在70℃下烘干，以清除掉pmma，得到所设计的器件结构。

在本实施例中制备得到的石墨烯叉指电极图形如图2所示，石墨烯叉指电极代替了传统的金属叉指电极，有效地增大了器件的光电流，提高了器件的光响应性能（图3）。

实施例2

一种在氮化铝薄膜表面制备边长400微米×400微米，间距100微米的方形石墨烯线列图形的方法。

具体方法如下：

1）将生长好石墨烯的铜箔旋涂pmma（质量浓度5%），旋涂速率6000r/min，旋涂时间60s，旋涂后在70℃下烘烤10min，之后浸泡在摩尔浓度为0.1mol/l的过硫酸铵溶液中，至铜箔溶解，得到悬浮的石墨烯薄膜；

2）利用分子间作用力，转移石墨烯至二氧化硅面，在70℃下烘烤10min，去除水分子，将附着石墨烯的硅片依次放入丙酮、酒精、去离子水中各浸泡10min，然后在70℃下烘干，以去除石墨烯表面的pmma；

3）采用光刻技术，用az5214e正胶工艺，在石墨烯面沉积100微米×100微米的方形ti/au（20/80nm）电极；

4）采用光刻技术中的套刻技术，利用kxn5735-l0负胶工艺，在石墨烯面制备所设计的方形线阵图形；

5）将样品置于氧等离子体氛围中90s，用于去除多余的石墨烯，将样品依次放入丙酮、酒精、去离子水中各浸泡10min，然后在70℃下烘干，清洗负胶后得到石墨烯方形线阵图形；

6）在样品的图形化石墨烯面一侧旋涂pmma溶液，旋涂速率6000r/min，旋涂时间60s，旋涂后在70℃下烘烤10min，包覆pmma材料后，在4mol/l的氢氧化钠溶液中浸泡15min，，以刻蚀二氧化硅层，用等离子水洗净样品并烘干，后利用热释胶带剥离下整个金属电极和图形化石墨烯层；

7）利用分子间作用力将电极层转移至掺锌氧化镓薄膜表面后，加热样品，热释胶带在130℃下失效，并与金属电极和石墨烯层脱离，将样品依次放入丙酮、酒精、去离子水中各浸泡10min，然后在70℃下烘干，以清除掉pmma，得到所设计的石墨烯图形。

在本实施例中，该方形线阵图形化的石墨烯与氮化铝薄膜材料之间通过载流子漂移形成有效的内建电场，可以起到分离光生载流子的作用，有利于提高该线列光电探测性能。