[发明专利]一种采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米加工技术领域，尤其涉及一种采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法。

背景技术

石墨烯是单原子层的石墨片，具有优异的电学性质，其电子迁移率高达100,000cm2V-1s-1，最早于2004年由英国曼彻斯特大学的科学家制备出来（Science306,666(2004)）。单层石墨烯中的电子在狄拉克点附近具有线性的色散关系，属于无质量的狄拉克费米子，其费米速度为光速的1/300，因此该材料的发现为凝聚态材料的物性研究及计算提供了理想的实现途径。

石墨烯超晶格多孔纳米结构的电学性质同时受到量子限域效应和周期势调制的影响：随着纳米带尺寸的缩短，原本没有能隙的石墨烯会打开一个能隙；另一方面，超晶格的结构之前也被证实可以进一步调制石墨烯的能带结构，会在狄拉克点附近产生新的超晶格狄拉克点（Nature Materials12,792(2012)）。所以通过控制纳米带的尺寸和打孔的周期我们可以进行石墨烯的能带工程，在保证高的器件开关比的同时仍然具有较大的输出电流。所以这种多孔的超晶格网状结构被视为石墨烯能带工程中非常重要的器件模型。

通过传统的微加工手段可以制备这种石墨烯超晶格纳米结构，然后其加工难度较大，分辨率受电子束曝光近邻效应的限制难以将孔洞的周期控制在200nm以下。现有技术中提供了一种利用自组装的共聚物纳米颗粒做掩膜来制备石墨烯纳米网的结构（Nature Nanotechnology5,190(2010)），这种方法虽然可以达到100nm以下的周期，但是空洞没有严格的周期性，同时和微加工制备得到的纳米结构有共同的问题，即石墨烯的边缘是粗糙的无序结构，这在一定程度上降低了器件的电学性质。

发明内容

本发明的目的在于提出一种采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法，能够可控地加工出小于200nm周期的纳米孔洞阵列图案，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。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法，其包括：

步骤A：采用原子力显微镜的针尖加脉冲电压的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷；

步骤B：用含氢等离子体对该石墨烯进行各向异性刻蚀。

作为上述采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法的一种优选方案，在步骤A之前还包括通过机械剥离的方法将石墨烯转移到具有氧化层的硅片基底上。

作为上述采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法的一种优选方案，将石墨烯转移到具有氧化层的硅片基底上之后，还包括铺设与石墨烯导通的器件电极，以及与硅片基底导通的附加电极，其中，所述器件电极和附加电极之间通过引线导通。

作为上述采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法的一种优选方案，所述附加电极的铺设方法为：在硅片基底氧化层上设置若干个穿透氧化层的凹槽，在凹槽处设置附加电极，并且是附加电极与硅片基底导通。

作为上述采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法的一种优选方案，在步骤A中，所述脉冲电压的一个电极与原子力显微镜的针尖连通，另一个电极与硅片基底导通。

作为上述采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法的一种优选方案，在步骤A中，脉冲电压的电压值为-5V～-10V。

作为上述采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法的一种优选方案，在步骤A中，人工空位缺陷为孔洞，该孔洞的直径为30nm-60nm。

作为上述采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法的一种优选方案，在步骤A中，脉冲电压的持续时间为0.5s-1.5s。

作为上述采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法的一种优选方案，在步骤A中，所述人工空位缺陷呈周期性排布。

本发明的有益效果为：本申请提供了一种采用原子力显微镜加工石墨烯超晶格纳米结构的方法，其通过原子力显微镜的针尖加脉冲电压的方式在石墨烯上形成人工空位缺陷，然后用含氢等离子体对该石墨烯进行各向异性刻蚀。此方法能够在石墨烯上实现小于200nm周期的纳米孔洞阵列图案。且超晶格石墨烯纳米结构的周期和纳米带宽度是可控的。原子力显微镜针尖的加工方法简单并且没有引入额外污染的手段，所得的器件十分干净。此外，辅助针尖阵列加工工艺，本方法可用于器件集成，批量生产石墨烯纳米结构器件。

附图说明