[发明专利]一种石墨烯纳米图案的加工方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳加工领域，尤其涉及一种石墨烯纳米图案的加工方 法。

背景技术

由晶体石墨的一个或少数几个原子层构成的具有纳米厚度的石墨片 称为石墨烯。

2004年，英国科学家首次在实验室制备出单层石墨烯(Science 306， 666(2004))。单层石墨烯中的电子属于无质量的狄拉克费米子，因此该材 料的发现为利用凝聚态材料研究量子电动力学和相对论效应开辟了一条 全新的途径。石墨烯中的电子迁移率高达200000cm²V^-1s^-1，是一种制造高 速电子器件的理想材料。石墨烯纳米结构的电学性质同时受到边缘结构和 量子限域效应的影响。石墨烯纳米结构的边缘结构分为armchair(扶手椅) 边缘和zigzag(锯齿形)边缘两种(见图1)。其中zigzag边缘具有的表面 态倾向于使其更加导电，而量子限域效应则倾向于使石墨烯出现带隙变得 不导电。另外，具有zigzag边缘结构的石墨烯纳米结构边缘处的电子还会 出现自旋极化现象，可应用于自旋电子学领域。

现有技术中有一些加工石墨烯纳米结构的方法的报道，主要包括：石 墨烯超声振荡法，碳纳米管剥离法，碳基分子键合法，电子束曝光-氧等离 子刻蚀法。其中，前三种方法虽然可以加工出纳米级的石墨烯结构，但是 其结构图案都是不可控的。最后一种方法是一种可控性很好的方法，但是 其加工精度很难达到十纳米以下。另外，上述这些方法都不能得到具有原 子级平整zigzag边缘结构的石墨烯纳米结构。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米图案的加工方法，能够 可控地加工出纳米级的石墨烯结构，精度可达到十纳米以下，且能够得到 具有原子级平整的zigzag边缘结构的石墨烯纳米结构。

本发明人经研究发现，通过在石墨烯上形成人工缺陷并用含氢等离子 体对该石墨烯进行各向异性刻蚀，经过刻蚀的石墨烯上会出现一些正六角 形的孔洞，而不是通常等离子体刻蚀得到的圆形孔洞，从而获得所需的 zigzag边缘结构。

根据上述发现，本发明提供了一种石墨烯纳米图案的加工方法，包括：

在石墨烯上形成人工缺陷；

用含氢等离子体对该石墨烯进行各向异性刻蚀。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，其中所述人工缺陷包 括孔。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，其中所述人工缺陷可 以排列成点阵图案。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，其中所述点阵图案可 以为三角点阵或矩形点阵。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，其中人工缺陷可以通 过光刻、纳米压印、机械冲击、激光扫描而形成。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，其中用含氢等离子体 对石墨烯的各向异性刻蚀，使人工缺陷逐渐增大，直到形成所需图案为止。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，其中所述含氢等离子 体刻蚀的参数为：反应温度，室温至520℃；气压，小于1Torr；等离子体 功率，30-120W；刻蚀速度，小于15nm/分钟。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，还包括确定石墨烯晶 格取向，并设计所述人工缺陷的点阵图案的取向与石墨烯晶格取向之间的 夹角。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，其中确定石墨烯晶格 取向的方法包括：

在石墨烯片上刻蚀出一个小孔；

用含氢等离子体刻蚀，将这个小孔扩展成六角形大孔，根据该六角形 大孔的边缘的取向来确定石墨烯的晶格取向。

根据本发明提供的石墨烯纳米图案的加工方法，其中含氢等离子体包 括氢气、甲烷、乙烯、水蒸气等含氢气体所生成的等离子体。

本发明提供的方法可以得到纳米尺寸的各种石墨烯结构，包括量子 点、纳米带、超晶格结构，而且这些石墨烯纳米结构都具有原子级平整的 zigzag边缘结构。本发明提供的方法具有很好的可控性，得益于含氢等离 子体对一些有机污染物的刻蚀清除作用，用这种方法加工出的石墨烯纳米 结构表面十分干净。且该方法与现有的半导体加工工艺兼容。