專利名稱：一種在石墨或石墨烯表面加工納米尺度圖形的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米加工技術，具體是一種利用導電原子力顯微鏡多針尖效應在石墨或石墨烯表面制備納米尺度圖形。
背景技術：
2004年英國曼切斯特大學的Geim等人首次制備出單原子層的石墨烯。石墨烯的遷移率為傳統(tǒng)半導體材料的數(shù)十至上百倍，有望應用于高性能的納電子器件中。而研究發(fā)現(xiàn)單原子層的石墨烯的禁帶寬度為零，只有當石墨烯納米帶寬度為20納米以下時，其禁帶才逐漸打開，呈現(xiàn)半導體性。為了制備基于石墨烯的COMS邏輯開關器件，就需要尋找一種可以將石墨烯加工成20nm以下納米帶的工藝方法。然而，現(xiàn)有的微納結構主要通過光刻技術來制備，但受限于光的波長，尚無法制備數(shù)納米的結構。即使利用電子束光刻技術，目前尚很難加工寬度在20nm以下的石墨烯納米帶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種在石墨或石墨烯表面加工出20納米以下圖形的方法。本發(fā)明提供的技術方案如下一種在石墨或石墨烯表面制備納米尺度圖形的方法，其步驟包括1)將石墨或石墨烯解離露出新鮮的表面并放置于原子力顯微鏡樣品臺上，石墨或石墨烯一端通過導線接地；2)利用原子力顯微鏡掃描石墨或石墨烯表面并選取待刻蝕的區(qū)域；3)將原子力顯微鏡的針尖逼近石墨或石墨烯表面，設置掃描范圍，進入掃描狀態(tài)， 同時在針尖上加負電壓，當針尖處于多針尖狀態(tài)時，刻蝕石墨或石墨烯表面形成溝槽，從而得到所設計的加工圖形。本發(fā)明利用多針尖效應，可以通過一次刻蝕得到兩條或多條間距極窄的刻蝕溝槽。在針尖上加的負電壓的絕對值大于7V?？涛g時針尖移動速度小于20 μ m/s，在每一處停留時間小于5秒。可將石墨或石墨烯轉(zhuǎn)移到相應的其它導電基底或絕緣材料上；若石墨或石墨烯在絕緣材料上，則通過電極相連使石墨或石墨烯接地，在針尖上加絕對值大于7V的負電壓后進行刻蝕。本發(fā)明原理導電針尖刻蝕石墨表面時，由于針尖與樣品表面距離且針尖曲率半徑極小，當針尖加上負電壓時，針尖會與樣品之間形成極強的電場。電子由針尖端發(fā)射到達石墨表面，刻蝕機理有3種解釋1是由于物理轟擊造成石墨晶格破壞；2是產(chǎn)生的熱量會使大氣中的氧與石墨的碳原子發(fā)生發(fā)應，生成CO等氣體；3是由于空氣中的水和石墨的碳原子發(fā)生電化學反應生成CO等氣體。
同時，由于普通導電針尖在掃描過程中如果受到污染或磨損產(chǎn)生，針尖可以處于多針尖狀態(tài)。由于多針尖的間距非常小，甚至小于20納米，這樣在一次刻蝕中同時得到兩條間距極窄的刻蝕溝槽，所形成的圖形可以由控制針尖移動的腳本程序確定，例如控制針尖沿直線刻蝕時，在兩條直溝槽之間可得到20納米尺度以下的石墨納米帶圖形。本發(fā)明石墨烯可以是單層，雙層，或多層，在其表面制備出納米尺度圖形。本發(fā)明的優(yōu)點與技術效果目前在石墨或石墨烯表面上加工20納米尺度以下的圖形極其困難，本發(fā)明利用導電原子力顯微鏡多針尖效應，可以通過一次刻蝕得到到兩條或多條間距極窄的刻蝕溝槽，形成例如20納米尺度以下的石墨納米帶等圖形。通過原子力顯微鏡的腳本程序的編寫控制控制針尖的刻蝕路徑，得到任意形狀的圖形。刻蝕出的溝槽深度可由導電針尖的電壓以及針尖移動時間控制。


圖1.導電原子力顯微鏡雙針尖在石墨表面刻蝕得到的雙排點陣結構，橫向雙點坑間距僅為10納米左右；圖2.導電原子力顯微鏡雙針尖在石墨表面刻蝕得到間距為14nm的平行雙溝槽結構；圖3.導電原子力顯微鏡雙針尖在石墨表面刻蝕得到3圓環(huán)交疊溝槽結構。
具體實施例方式實施例1將一塊石墨解離露出新鮮的表面；利用原子力顯微鏡掃描石墨表面并選取待刻蝕的區(qū)域。安裝導電針尖，將針尖逼近樣品，掃描范圍為2X2微米。同時在針尖上加-8V的負電壓，當針尖存在多針尖形態(tài)，控制針尖在石墨表面沿某一方向每隔50納米將針尖逼近樣品，停留3秒。最后得到雙排點陣結構，橫向雙點坑之間的間距僅為10納米左右，如圖1 所示。實施例2將一多層石墨烯解離露出新鮮的表面；利用原子力顯微鏡掃描石墨表面并選取待刻蝕的區(qū)域；安裝導電針尖，將針尖逼近樣品，掃描范圍為2X2微米。同時在針尖上加-9V 的負電壓，當針尖存在多針尖形態(tài)，控制針尖在石墨表面沿直線移動，移動速度為2 μ m/s，。 最后得到間距為14nm的雙溝槽結構，如圖2所示。實施例3將一塊石墨解離露出新鮮的表面；利用原子力顯微鏡掃描石墨表面并選取待刻蝕的區(qū)域；安裝導電針尖，將針尖逼近樣品，掃描范圍為2X2微米。同時在針尖上加-8V的負電壓，當針尖存在多針尖形態(tài)，控制針尖在石墨表面沿圓曲線移動，移動速度為2 μ m/s。最后同時得到3圓環(huán)交疊溝槽結構的圖形，如圖3所示。上面描述的實施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護范圍視權利要求范圍所界定。
權利要求
1.一種在石墨或石墨烯表面加工納米尺度圖形的方法，其步驟包括1)將石墨或石墨烯解離露出新鮮的表面并放置于原子力顯微鏡樣品臺上，石墨或石墨烯一端通過導線接地；2)利用原子力顯微鏡掃描石墨或石墨烯表面并選取待刻蝕的區(qū)域；3)將原子力顯微鏡的針尖逼近石墨或石墨烯表面，設置掃描范圍，進入掃描狀態(tài)，同時在針尖上加上負電壓，當針尖處于多針尖狀態(tài)時，刻蝕石墨或石墨烯表面形成溝槽，從而得到所設計的加工圖形。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中所述電壓的絕對值大于7V。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中刻蝕時針尖移動速度小于20μ m/So
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中將所述石墨或石墨烯轉(zhuǎn)移到其它導電基底或絕緣材料上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在石墨或石墨烯表面加工納米尺度圖形的方法，屬于納米加工技術領域。該方法具體包括將石墨或石墨烯解離露出新鮮的表面并放置于原子力顯微鏡樣品臺上，石墨或石墨烯一端通過導線接地；用原子力顯微鏡掃描石墨或石墨烯表面并選取待刻蝕的區(qū)域；將原子力顯微鏡的針尖逼近石墨或石墨烯表面，設置掃描范圍，進入掃描狀態(tài)，同時在針尖上加負電壓，當針尖處于多針尖狀態(tài)，刻蝕石墨或石墨烯表面形成溝槽，從而得到所設計的加工圖形。本發(fā)明利用多針尖效應，可以通過一次刻蝕得到兩條或多條間距極窄的刻蝕溝槽。
文檔編號B81C1/00GK102285631SQ201110153728
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權日2011年6月9日
發(fā)明者傅云義, 張朝暉, 李佩朔, 趙華波, 魏子鈞, 魏芹芹 申請人:北京大學