技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
石墨烯纳米窄带的制备方法，尤其涉及一种定向排列的石墨烯纳米窄带的制备方法。
背景技术
[0002] 石墨烯具有稳定的二维晶格结构和优异的电学性能，近年来迅速成为
碳材料家族中的“明星分子”。由于具备和传统
硅半导体工艺的兼容性且不存在碳
纳米管所面临的选择性生长等问题，石墨烯在微纳
电子器件领域展现出广阔的应用前景，有望成为构筑下一代电子器件的核心材料。
[0003] 石墨烯
片层的形状决定了其能带结构，能带结构又决定其电学性质，电学性质又进而决定其应用潜
力。目前，基于石墨烯的电子器件实用化所面临的一大挑战是将其图形化为具备不同电学性质的微纳结构，为下一步的
电路集成奠定
基础。在这种情况下，发展一种可以有效制备石墨烯纳米窄带的方法至关重要。
[0004] 目前，制备石墨烯纳米窄带的方法主要包括：1)利用
激光烧蚀或强
氧化剂
刻蚀的方法纵向剖开
碳纳米管壁，以得到
单层或多层石墨烯纳米窄带。该方法的效率较低，可控性较差，获得的石墨烯纳米窄带不平整。2)采用传统的
光刻和氧刻蚀方法切割石墨烯。该方法对基底的要求高，并且涉及了各种
溶剂的使用，不利于表面器件的制备及集成，另外，
纳米级掩膜的制备也较为困难，成本较高。3)采用催化粒子原位反应切割石墨烯。该方法效率较低，并且涉及了溶液及高温反应，且制备过程具备不可控性。4)利用扫描隧道
显微镜(STM)针尖
电流切割石墨烯。该方法效率低，由于是在高纯石墨上实现切割，因而与现行的半导体工艺不兼容。5)利用图形化的二氧化
钛薄膜的光催化反应氧化分解石墨烯片层，得到特定图案的石墨烯条带。该方法制备纳米级别的图形化二氧化钛薄膜较为困难，需要另外的掩膜，因此整个制备过程较为复杂，且所需光催化反应的时间较长。6)利用图形化排布的催化剂颗粒，利用
化学气相沉积法直接生
长石墨烯条带。该方法中对催化剂颗粒进行图形化排布较为困难，不易控制其尺寸和形状，因此获得的石墨烯条带的尺寸也较难控制。
发明内容
[0005] 有鉴于此，确有必要提供一种石墨烯纳米窄带的制备方法，该方法可调整与控制石墨烯纳米窄带的尺寸，且方法简单，易于操作，效率较高。
[0006] 一种石墨烯纳米窄带的制备方法，包括以下步骤：提供一金属基底；提供一碳纳米管拉膜结构，
覆盖于该金属基底的一表面，该碳纳米管拉膜结构包括多个定向排列的碳纳米
管束以及多个分布于所述碳纳米管束之间的带状间隙；利用离子植入工艺将碳离子透过该碳纳米管拉膜结构的带状间隙植入到所述金属基底内；对该金属基底进行
退火处理，获得多个定向排列的石墨烯纳米窄带；以及利用超声处理的方法，将碳纳米管拉膜结构与获得的石墨烯纳米窄带分离。
[0007] 一种石墨烯纳米窄带的制备方法，包括以下步骤：提供一金属基底；提供一碳纳米管拉膜结构，覆盖于该金属基底的一表面，该碳纳米管拉膜结构包括多个定向排列的碳纳米管束以及多个分布于所述碳纳米管束之间的带状间隙；利用离子植入工艺将碳离子透过该碳纳米管拉膜结构的带状间隙植入到所述金属基底内；将所述碳纳米管拉膜结构从所述金属基底上去除；以及对该金属基底进行退火处理，获得多个定向排列的石墨烯纳米窄带。
[0008] 与
现有技术相比，本发明提供的石墨烯纳米窄带的制备方法，利用碳纳米管拉膜结构作为掩膜，由于该碳纳米管拉膜结构包括多个定向排列的带状间隙和碳纳米管束，且该定向排列的带状间隙和碳纳米管束的宽度均可以通过调整该碳纳米管拉膜结构中碳纳米管拉膜的层数以及通过
有机溶剂处理该碳纳米管拉膜或者利用激光扫描该碳纳米管拉膜等方法来调整，因此，本发明的制备方法获得的石墨烯纳米窄带尺寸易于控制，从而克服了普通的
光刻胶掩膜在成型后不能随意改变其图案和尺寸的
缺陷。并且，利用本发明的制备方法获得石墨烯纳米窄带具有定向排列的特点，可直接应用于一些半导体器件和
传感器中。另外，利用碳纳米管拉膜结构作为掩膜，相比于其它纳米级掩膜的制备来说，碳纳米管拉膜结构的制备更为简便，且特别适合于掩膜的连续化、规模化生产。因此，利用本发明方法制备石墨烯纳米窄带，具有工艺简单、效率高、可规模化生产的优点。
附图说明
[0009] 图1为本发明
实施例一的石墨烯纳米窄带的制备方法的
流程图。
[0010] 图2为本发明实施例一的石墨烯纳米窄带的制备方法的工艺流程示意图。
[0011] 图3为本发明实施例一的石墨烯纳米窄带的制备方法中使用的碳纳米管拉膜结构的示意图。
[0012] 图4为本发明实施例一的石墨烯纳米窄带的制备方法中使用的碳纳米管拉膜结构的扫描电镜照片。
[0013] 图5为本发明实施例一的制备方法获得的石墨烯纳米窄带的结构示意图。
[0014] 图6为本发明实施例一的制备方法获得的石墨烯纳米窄带的另一结构示意图。
[0015] 图7为本发明实施例二的石墨烯纳米窄带的制备方法的流程图。
[0016] 图8为本发明实施例二的石墨烯纳米窄带的制备方法的工艺流程示意图。
[0017] 主要元件符号说明
[0018]石墨烯纳米窄带 10
金属基底 20
第一表面 201
碳纳米管拉膜结构 40
碳纳米管拉膜 410
碳纳米管束 411
带状间隙 412
[0019] 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
[0020] 下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的石墨烯纳米窄带的制备方法作进一步的详细说明。
[0021] 实施例一
[0022] 请一并参阅图1及图2，本发明实施例一提供一种石墨烯纳米窄带10的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0023] S1：提供一金属基底20，该金属基底20具有一第一表面201；
[0024] S2：提供一碳纳米管拉膜结构40，覆盖于该金属基底20的第一表面201，该碳纳米管拉膜结构40包括多个定向排列的带状间隙412和碳纳米管束411；
[0025] S3：利用离子植入工艺将碳离子透过该碳纳米管拉膜结构40的带状间隙412植入到所述金属基底20的第一表面201内；
[0026] S4：对该金属基底20进行退火处理，从而在该金属基底20的第一表面201获得多个定向排列的石墨烯纳米窄带10；以及
[0027] S5：利用超声处理的方法，将该碳纳米管拉膜结构40与获得的石墨烯纳米窄带10分离。
[0028] 步骤S1中，所述金属基底20为一薄片状基底。所述金属为过渡金属，包括钌、铱、铂、镍、钴、
铜、
铁等。本实施例中优选为钌金属。该金属基底20的厚度为100纳米至100微米。该金属基底20的第一表面201的面积不限，可以根据实际需要进行调整。本实施例中，该金属基底20为一平滑基底，通过对该金属基底20的第一表面201进行平整化处理后得到。该金属基底20的平整化处理有利于后续在其第一表面201上进行原位析出石墨烯纳米窄带10。
[0029] 请一并参阅图3和图4，步骤S2中所述的碳纳米管拉膜结构40由一碳纳米管拉膜410组成或由多层碳纳米管拉膜410重叠设置而成。所述碳纳米管拉膜410包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束411，所述碳纳米管拉膜410还包括多个分布于所述碳纳米管束411之间的与所述定向排列的方向平行的带状间隙412。当所述碳纳米管拉膜结构40由多层碳纳米管拉膜410重叠设置而成时，该多个碳纳米管拉膜410中的碳纳米管束411沿同一方向定向排列。由于所述碳纳米管拉膜结构40由一碳纳米管拉膜410组成或由多层碳纳米管拉膜410重叠设置而成，所以，所述碳纳米管拉膜结构40也包括多个定向排列的碳纳米管束411以及多个分布于所述碳纳米管束411之间且定向排列的带状间隙412。
[0030] 步骤S2中，所述碳纳米管拉膜结构40的制备方法包括以下具体步骤：
[0031] S21：提供一
碳纳米管阵列，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列；
[0032] S22：采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得一第一碳纳米管拉膜；
[0033] S23：提供一固定
框架，将上述第一碳纳米管拉膜沿第一方向粘附于固定框架，并去除固定框架外的多余的碳纳米管拉膜；
[0034] S24：按照与步骤S22相同的方法获得一第二碳纳米管拉膜，将该第二碳纳米管拉膜沿所述第一方向粘附于上述固定框架，并覆盖上述第一碳纳米管拉膜形成一两层的碳纳米管拉膜结构。类似地，可将一具有与上述碳纳米管拉膜相同结构的第三碳纳米管拉膜或更多层的碳纳米管拉膜依次覆盖于上述第二碳纳米管拉膜，进而形成多层的碳纳米管拉膜结构40。
[0035] 步骤S21中，超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：（a）提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；（b）在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的
合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底在700摄氏度~900摄氏度的空气中退火约30分钟~90分钟；（d）将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500摄氏度~740摄氏度，然后通入碳源气体反应约5分钟~30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200微米~400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密
接触形成阵列。
本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、
氨气或惰性气体。
[0036] 步骤S22中，具体包括以下步骤：（a）从碳纳米管阵列中
选定一定宽度的多个碳纳米管片断，本实施例优选为采用具有一定宽度的
胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管片断；（b）以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管片断，以形成一连续的第一碳纳米管拉膜。在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片断在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片断分别与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管拉膜。该碳纳米管拉膜为定向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管拉膜。该碳纳米管拉膜中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管拉膜的拉伸方向。
[0037] 步骤S23中，该固定框架为一方形的金属框架，用于固定碳纳米管拉膜，其材质不限。该固定框架的大小可依据实际需求确定，当固定框架的宽度大于上述第一碳纳米管拉膜的宽度时，可将多个上述第一碳纳米管拉膜并排覆盖并粘附在固定框架上。
[0038] 本实施例中，通过上述方法制备获得的碳纳米管拉膜结构40的宽度可为1厘米~10厘米，所述碳纳米管拉膜结构40的厚度可为10纳米~100微米。
[0039] 所述碳纳米管拉膜结构40中的碳纳米管束411的宽度和带状间隙412的宽度可以调节，如通过对该碳纳米管拉膜结构40的表面进行激光扫描处理，可以烧蚀掉该碳纳米管拉膜结构40中直径较大的部分碳纳米管，从而可以增大带状间隙412的宽度，减小碳纳米管束411的宽度。又如可以通过使用挥发性有机溶剂如
乙醇、丙
酮等处理该碳纳米管拉膜结构40的方式，将该碳纳米管拉膜结构40中的部分碳纳米管收缩聚集，从而同时增大带状间隙412和碳纳米管束411的宽度。而且，有机溶剂处理后的碳纳米管膜结构40的粘性变小，从而在后续步骤中可以很容易的去除。另外，还可以通过增加该碳纳米管拉膜结构40中碳纳米管拉膜410的层数的方式来减小带状间隙412的宽度，增大碳纳米管束411的宽度。具体地，该碳纳米管拉膜结构40中的带状间隙412的宽度调节范围可在5纳米~500微米。
[0040] 因此，本发明利用碳纳米管拉膜结构40作为掩膜，可以根据实际需要随时调整其带状间隙412的尺寸，且其可调节的尺寸范围较大，也就是说，本发明用碳纳米管拉膜结构40作为掩膜，具有掩膜图案和尺寸灵活可调的优点，从而克服了普通的光刻胶掩膜在成型后不能随意改变其图案和尺寸的缺陷。另外，碳纳米管膜结构40可以直接通过将碳纳米管拉膜410铺设于石墨烯生长基底的方式获得，且该碳纳米管膜结构40具有自
支撑特性，从而可以很容易地整体移动，调整与金属基底20的接触。最后，本发明的碳纳米管拉膜结构
40具有制备方法简单、制备成本低以及制造效率高等优点。
[0041] 步骤S3中，所述离子植入工艺中，碳离子的植入
能量为1KeV(千电子伏特)~200KeV，优选地，本实施例中所用的植入能量为10KeV~50KeV。本实施例中碳离子的植15 2 17 2
入剂量为1×10 /cm~1×10 /cm。在植入碳离子时，植入方向与
水平面之间的夹
角（即植入角度）为10度~90度，优选地，本实施例中的植入角度为45度~90度。本领域技术人员可以理解，植入角度的大小也能影响后续获得的石墨烯纳米窄带10的宽度。植入角度越大，碳离子越容易透过所述碳纳米管拉膜结构40的带状间隙412进入到所述金属基底20的第一表面201，从而在该第一表面201形成的离子植入区域面积越大，反之亦然。因此，本发明的另一个优点在于，可以通过调整碳离子的植入角度来调节与控制获得的石墨烯纳米窄带
10的尺寸。
[0042] 步骤S4中，所述退火处理包括：在
真空或惰性气体环境下，将所述金属基底20加热到550摄氏度~1100摄氏度，保温10分钟~60分钟后冷却至室温，由于金属基底
温度的变化，碳
原子在该金属基底中的固溶度发生变化，因此，当温度冷却至室温时，碳原子从所述金属基底20的离子植入区域中析出重构，形成多个定向排列的石墨烯纳米窄带10。
[0043] 步骤S5中，所述超声处理的时间为3分钟~30分钟，优选为10分钟。
[0044] 进一步地，在步骤S5之后，还可以对获得的石墨烯纳米窄带10进行自然
风干或烘干处理，以便后续应用。请一并参阅图5和图6，图5和图6分别为利用本发明制备方法获得的两种定向排列的石墨烯纳米窄带的结构示意图。
[0045] 实施例二
[0046] 请一并参阅图7及图8，本发明实施例二提供一种石墨烯纳米窄带10的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0047] S1：提供一金属基底20，该金属基底20具有一第一表面201；
[0048] S2：提供一碳纳米管拉膜结构40，覆盖于该金属基底20的第一表面201，该碳纳米管拉膜结构40包括多个定向排列的带状间隙412和碳纳米管束411；
[0049] S3：利用离子植入工艺将碳离子透过该碳纳米管拉膜结构40的带状间隙412植入到所述金属基底20的第一表面201内；
[0050] S4：将所述碳纳米管拉膜结构40从所述金属基底20上去除；以及
[0051] S5：对该金属基底20进行退火处理，从而在该金属基底20的第一表面201获得多个定向排列的石墨烯纳米窄带10。
[0052] 在本实施例二中，步骤S1~步骤S3与实施例一中相同，因此不再赘述。
[0053] 步骤S4中，所述将所述碳纳米管拉膜结构40从所述金属基底20上去除可选用超声处理的方法，所述超声处理的时间为3分钟~30分钟，优选为10分钟。本实施例中也可选用一些干法去除该碳纳米管拉膜结构40，如刮擦法、风吹法等。
[0054] 步骤S5与实施例一中的步骤S4相同。
[0055] 本实施例二中采用先去除所述碳纳米管拉膜结构40，再生长所述石墨烯纳米窄带10。相较于实施例一而言，本实施例二在去除所述碳纳米管拉膜结构40时，所述金属基底
20上还没有生长所述石墨烯纳米窄带10，因此，所述碳纳米管拉膜结构40更容易与所述金属基底20分离。另外，本实施例二中，在生长完所述石墨烯纳米窄带10后，不需要再对所述金属基底20进行超声处理以去除所述碳纳米管拉膜结构40，因此，获得的石墨烯纳米窄带10可直接转移到其它适合的基底上进行器件组装和应用。
[0056] 相较于现有技术，本发明提供的石墨烯纳米窄带的制备方法，利用碳纳米管拉膜结构作为掩膜，由于该碳纳米管拉膜结构包括多个定向排列的带状间隙和碳纳米管束，且该定向排列的带状间隙和碳纳米管束的宽度均可以通过调整该碳纳米管拉膜结构中碳纳米管拉膜的层数以及通过有机溶剂处理该碳纳米管拉膜或者利用激光扫描该碳纳米管拉膜等方法来调整，因此，本发明的制备方法获得的石墨烯纳米窄带尺寸易于控制，从而克服了普通的光刻胶掩膜在成型后不能随意改变其图案和尺寸的缺陷。并且，利用本发明的制备方法获得石墨烯纳米窄带具有定向排列的特点，可直接应用于一些半导体器件和传感器中。另外，利用碳纳米管拉膜结构作为掩膜，相比于其它纳米级掩膜的制备来说，碳纳米管拉膜结构的制备更为简便，且特别适合于掩膜的连续化、规模化生产。因此，利用本发明方法制备石墨烯纳米窄带，具有工艺简单、效率高、可规模化生产的优点。
[0057] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
