[发明专利]电子束光刻技术制备图案化碳纳米结构材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种图案化碳纳米材料的制备方法，尤其涉及一种采用电子束光刻聚甲基丙烯酸甲酯薄膜制备图案化碳纳米结构材料的方法。

背景技术

图案化的碳纳米结构材料由于在场发射，集成电路，纳米电极，光学器件，生物器件等方面的潜在应用引起了人们的关注。目前，制备图案化的碳纳米结构材料的方法有很多，包括化学气相沉积，溅射法，电子束辐照单层高分子材料，电子束诱导沉积法等等，各种方法使用的前驱体都不同。

电子束诱导沉积方法是在高强度的电子束作用下碳氢气体分解成非晶碳，这种方法有很高的分辨率和步骤简单，但是由于在反应过程中涉及到气体的扩散、吸附和分解，这种方法在制备相对大尺寸材料的时候效率比较低。

电子束光刻技术是利用电子束在涂有电子抗蚀剂的晶片上直接描画或投影复印图形的技术。电子抗蚀剂是一种对电子敏感的高分子聚合物。经过电子束扫描过的电子抗蚀剂发生分子链重组，使曝光图形部分的抗蚀剂发生化学性质改变。经过显影和定影，获得高分辨率的抗蚀剂曝光图形。电子束光刻技术的主要工艺过程为涂胶、前烘、电子束曝光、显影和坚膜。现代的电子束光刻设备已经能够制作小于10nm的精细线条结构。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有良好的绝缘性能以及光学性能，对电子束具有很强的敏感性，可作为电子抗蚀剂。因此，本发明利用电子束光刻聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜制备图案化的碳纳米结构材料具有应当具有实际的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯薄膜制备图案化碳纳米材料的方法。

本发明采用电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯薄膜制备图案化碳纳米材料的方法，是先在1×10^-2～1×10^-8Pa的真空下采用电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(PMMA)，再用显影液显影得到。

电子束光刻聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(PMMA)的所有电子束曝光系统都与图形发生器连接。通过改变电子束光刻的剂量制备不同图案的碳纳米结构材料。电子束曝光就是用高能电子轰击电子束抗蚀剂，抗蚀剂发生聚合或者分裂等物理化学反应，而聚甲基丙烯酸甲酯正是很好的正性抗蚀剂，但是在高剂量的电子束下聚甲基丙烯酸甲酯转变成负性抗蚀剂。在一定的剂量下，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的碳原子形成共价键，从而形成图形化的碳纳米结构。

本发明通过控制电子束曝光的剂量、电子束的束斑尺寸以及聚甲基丙烯酸甲酯的厚度来实现不同图案的碳纳米结构材料的控制。

图1为采用不同剂量的电子束曝光PMMA薄膜，得到的不同图案的碳纳米结构材料。由图1可以看出，不同剂量的电子束曝光PMMA薄膜，得到不同直径的点图案。

图2为通过控制点和线的剂量控制碳纳米结构的尺寸。图2中a1、a2、a3、a4为通过控制点剂量得到的碳纳米结构的尺寸。图2 b1、b2、b3、b4为对应a1、a2、a3、a4的线剂量的碳纳米结构。由图2可以看出，纳米点以及纳米线的尺寸可以严格地由点剂量以及线剂量进行控制。

通过大量的研究表明，当电子束的点剂量控制在0.01～10pC范围内，点的直径可以控制在5纳米到10微米之间。当电子束的线剂量控制在0.01～10μC/cm之间时，线的宽度可以控制在5纳米到10微米之间。

电子束的区域剂量控制在1～100mC/cm²之间。

本发明电子束的束斑尺寸在2～10nm之间。

本发明采用的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜采用旋涂法制得；聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的厚度应当控制在10～1000nm范围之内。

本发明的图案可以通过程序设计，并通过图形发射器控制电子束偏转从而制造任意程序设计的碳图案。

本发明的显影液可采用丙酮、异丙醇、甲基异丁基酮、氯苯中的至少一种。优选甲基异丁基酮和异丙醇以1∶1～1∶3的体积比混合的混合溶液。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、效率高：采用电子束光刻PMMA薄膜使PMMA碳化来制备图案化的碳纳米材料，和其它方法相比，工艺步骤少，原理简单，大大提高了制备效率。

2、图案的精确度高：通过控制电子束光刻临界值的剂量实现不同图案的碳纳米结构材料的控制，图案的精确度高。

3、制备工艺简单，易于控制，方便操作。

4、通过工业化的电子束曝光设备可以制备大面积的图案化的碳纳米材料。

附图说明