[发明专利]石墨烯纳米电子器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳加工技术领域，尤其是涉及一种石墨烯纳米电子器件及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子构成的准二维纳米材料，具有优异的物理、化学和机械性能。因此，目前对石墨烯的材料性质、制备方法及器件加工技术等方面的研究已经成为热点。石墨烯的制备方法包括多种，如机械剥离法、碳化硅热解法、电弧放电法及CVD合成法等。在电子器件制备领域，掺杂对改善和提高石墨烯的电学磁学性能有很大帮助。对于二维结构的石墨烯，化学掺杂存在掺杂困难，稳定性差等缺点。物理结构掺杂如人工制备纳米条带或纳米多孔反点阵结构也能转变石墨烯的性质，使其由半金属性转变成半导体。此外通过控制纳米结构的尺寸还可以进一步调控石墨烯的电学、光学以及磁学性能。

制备纳米孔石墨烯的方法有许多，在文献(A general and scalable synthesis approach to porous graphene,Nature Communications,5,4716(2014))中公开了一种利用溅射金属氧化物颗粒氧化石墨烯的方法来制备多孔石墨烯。

文献(Large-Scale Production of Nanographene Sheets with a Controlled Mesoporous Architecture as High-Performance Electrochemical Electrode Materials Chem Sus Chem 6,1084(2013))中公开了一种利用金属镁在二氧化碳中燃烧淬火直接制备多孔石墨烯的方法。也有文献报道先通过金属催化剂化学气相沉积石墨烯，然后采用化学腐蚀将其转移到介质衬底上再通过光刻加工的方法得到多孔石墨烯。

上述的方法虽然能够获得多孔石墨烯结构，并在一些领域获得良好的应用前景，但是上述方法中有的在制备石墨烯结构过程中存在着纳米尺寸不可控的问题，有的方法所获得的石墨烯存在多层叠加或者金属离子污染等各种问题，不能满足纳米电子器件加工的需要。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种石墨烯纳米电子器件及其制备方法，可以大规模地制备高精度和一致性好的石墨烯纳米电子器件。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种石墨烯纳米电子器件的制备方法，用于在一衬底上形成至少一个石墨烯纳米电子器件，每一石墨烯纳米电子器件包括带有纳米结构的石墨烯区以及与石墨烯区连接的金属电极，该制备方法包括：步骤S1、提供一衬底，衬底的上表面由绝缘介质材料形成。步骤S2、在衬底的上表面上形成连续的石墨烯层，并且石墨烯层基本上覆盖衬底的整个上表面。步骤S3、在石墨烯层上形成各个金属电极。步骤S4、在石墨烯层上覆盖抗蚀剂层，采用电子束曝光的方式对抗蚀剂层进行曝光，以使得抗蚀剂层成形为预定的掩模的形状。其中，掩模的图案成形为仅用于在各个石墨烯区在石墨烯层中的预定位置处形成各个石墨烯区的纳米结构。步骤S5、对带有掩模的衬底进行反应离子刻蚀，以在石墨烯区中形成纳米结构。步骤S6、在形成纳米结构之后，去除石墨烯区周围的一部分石墨烯层，以将石墨烯层中的石墨烯区与石墨烯区外的其余石墨烯层断开。

进一步地，步骤S3还包括：在石墨烯层上形成用于在电子束曝光时将曝光版图与衬底进行对准的对准标记，该对准标记包括：用于将曝光版图与衬底进行整体对准的全局对准标记以及在每一石墨烯区在石墨烯层中的预定位置周围形成的局部对准标记。

进一步地，对准标记为在石墨烯层上形成的金属标记，其与金属电极同时形成。

进一步地，采用光刻和平板印刷工艺形成对准标记和金属电极；优选地，光刻为紫外光刻。

进一步地，在步骤S2中，采用等离子体增强化学气相沉积工艺在衬底的上表面上沉积石墨烯层。

进一步地，在步骤S6中，采用光刻和等离子体刻蚀工艺进行去除操作；优选地，光刻为紫外光刻。

进一步地，纳米结构为石墨烯纳米带结构或石墨烯纳米反点阵结构。

进一步地，至少一个石墨烯纳米电子器件为在衬底上呈周期性阵列布置的多个石墨烯纳米电子器件。

进一步地，在步骤S2中，在衬底上形成连续的石墨烯层之前，还包括对衬底进行抛光和清洗的步骤；可选地，经抛光后的衬底的表面粗糙度Ra＜3nm。

根据本发明的另一方面，还提供了一种石墨烯纳米电子器件，该石墨烯纳米电子器件采用上述任一种方法制备而成。