[发明专利]一种绝缘体上二维薄膜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种绝缘体上二维薄膜材料的制备方法。

背景技术

历史纪元与材料有着密切关联：从石器时代，到青铜时代，到钢铁时代，到近60年来的硅纪元。自2004年Geim等人发现稳定存在的单原子层碳材料石墨烯以来,关于石墨烯等二维薄膜材料的研究不断取得重要的进展。功能薄膜材料的不断进步推动着电子信息科学的迅速发展，传统电子信息科学的功能材料硅，在尺寸小于10nm线宽时，因尺度效应等物理因素的影响，其器件性能的突破受到极大制约，这迫使人们去探索新材料。碳元素构成的物质，石墨烯的优异性能对传统的硅基电子信息科学产生了巨大的冲击，可能替代硅成为下一代的电子材料。受此启发，其他二维薄膜材料的制备和性质研究也日益成为学术界和产业界关注的重点。

石墨烯是碳原子通过共价键形成的单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，广义的石墨烯二维晶体介于1-9个原子层之间，厚度约在0.3~3nm之间。以石墨烯为首的二维薄膜材料的研究成果层出不穷，如单原子层BN、MoS₂、WS₂、NeSe₂甚至单原子层硅（silicene）等等。不同类型的二维薄膜材料具有与其三维母体非常不同的性质，也各自拥有不同的基础研究和应用开发优势。如石墨烯的特异光学、电学、热力学以及机械性能，使其在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景。因其独特的晶体结构，石墨烯的迁移率可达20,000cm²/V·s，通过尺寸控制能隙可构建高性能的场效应晶体管。石墨烯的高透射率，使它成为透明导电薄膜的首选材料，可以取代氧化铟锡(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)等传统薄膜材料，并且表面改性后的石墨烯不但可作为电子受体应用于有机光电器件中，还可用于超级电容器的电极材料。石墨烯还具有优异的力学、热学等性能以及高比表面积，在复合材料领域的应用潜力也相当深厚

大尺寸的二维薄膜材料将为下一代光电器件、能量存储领域的研究提供核心功能材料。而对于这些引人入胜的材料而言，目前必须要面对的问题，也是其能否实现价值飞跃的基础，则是如何实现高质量二维薄膜的宏量制备，以及如何将这些二维结构高效、无损的转移到满足应用需求的衬底材料上。

目前已有的二维薄膜材料制备方法包括有：机械剥离法、碳化硅（SiC）外延法、化学气相沉积（CVD）法、氧化还原法、液相或气相剥离法等等。虽然这其中已有部分方法可以实现宏量制备，但为了满足应用需求，使材料附着于绝缘衬底上，绝大多数转移方式都是通过多种媒介、多步转移工艺完成，并且需要大量的化学品或严格的制备条件，宏量转移的衬底范围也受到很大限制。面向应用以及进一步的物性探索，如何向特种衬底的无损、宏量、低成本转移，仍是这些方法走向器件及其他应用面临的最大发展瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绝缘体上二维薄膜材料的制备方法，以确保制备的材料尺寸、厚度等具有较好的可控性，同时保持较高产率和质量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种绝缘体上二维薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）根据需求选择合适的绝缘衬底；

（2）对所述绝缘衬底的表面和/或待转移至所述绝缘衬底的体材料的表面进行活化处理；

（3）将所述绝缘衬底与所述体材料进行表面接触，施加外物理场使二维薄膜材料从所述体材料表面剥离下来，覆盖到所述绝缘衬底的表面。

进一步地，所述绝缘衬底的材料为SiO₂、Si₃N₄、MgO、BN、SiON、FSG、AIN、云母、硼化玻璃、蓝宝石、石英、硅胶中的一种，或已进行光刻图形化的SiO₂、Si₃N₄、MgO、BN、SiON、FSG、AIN、云母、硼化玻璃、蓝宝石、石英、硅胶中的一种。