[发明专利]整体三维结构模板、三维结构材料及其可控制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维结构材料的制备工艺，尤其涉及一种将二维材料组装成宏观三维结构的制备方法，属于材料的制备与功能化领域。

背景技术

单原子层的二维材料，由于其独特的物理性质，自从其被发现开始就受到了广泛的关注。例如石墨烯，其单原子层的平面二维结构使其具备了独特的物理化学性质。石墨烯的载流子迁移率可以达到10000cm²V^-1s^-1；室温时热导率在3000-5000Wm^-1K^-1范围内；而且比表面积可以达到2630m²g^-1。这些性质都使得石墨烯在半导体器件，能源领域具有广阔的前景。近几年逐渐进入人们视野的其他单原子层二维材料例如二硫化钼，黑磷等的研究也正如火如荼的展开。

但是这些单原子层的二维材料只有组装成宏观的三维结构材料才能在超级电容器，太阳能电池等领域获得实际的应用。近几年人们也相继提出了一些将二维单原子层材料组装成三维结构材料的方法。例如利用商业化的镍泡沫作为模板制备三维泡沫石墨烯；采用六水氯化镍制备多孔的三维石墨烯。但是纵观现如今最新的各种组装三维结构材料的方法，都不能实现其三维形状和尺寸的可控制备。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种三维结构材料的可控制备方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种三维结构材料的可控制备方法，其包括：

在衬底表面依次形成牺牲层和种子层，并在种子层上加工出设定图案结构；

在种子层上形成材料生长模板，而后去除所述牺牲层和种子层，获得单层材料生长模板；

将复数单层材料生长模板以设定角度和方向对准，并使各单层材料生长模板之间相互作用形成整体三维结构模板；

以及，以所述整体三维结构模板作为模板生长形成三维结构材料。

进一步的，所述可控制备方法具体可包括：

在衬底表面涂覆有机高分子材料而形成牺牲层；

利用金属沉积技术在牺牲层表面沉积金属作为种子层；

对所述种子层进行光刻处理，从而在种子层上加工出设定图案结构；

依据所述设定图案结构，利用金属沉积技术在种子层上形成材料生长模板；

去除所述牺牲层及残留于种子层上的光刻胶，再去除所述种子层，获得单层材料生长模板；

将复数单层材料生长模板以设定角度和方向对准，并通过高温退火使各单层材料生长模板之间相互作用形成整体三维结构模板；

以及，以所述整体三维结构模板作为模板生长形成三维结构材料。

作为较佳实施方案之一，所述可控制备方法还可包括：在以所述整体三维结构模板作为模板生长形成三维结构材料之后，去除模板，获得自由支撑的三维结构材料。

作为可行实施方案之一，所述可控制备方法还可包括：利用有机溶剂溶解去除所述牺牲层及残留于种子层上的光刻胶。

进一步的，所述有机溶剂至少选自甲苯、丙酮、己烷、氯仿中的任意一种，但不限于此。

作为可行实施方案之一，所述可控制备方法还可包括：将2-100个单层材料生长模板以设定角度和方向对准，并高温退火使各单层材料生长模板之间相互作用形成整体三维结构模板。

进一步的，所述金属沉积技术包括电镀、蒸发法、溅射法或离子镀工艺，但不限于此。

较为优选的，所述高温退火的温度为400-1200℃。

作为可行实施方案之一，所述可控制备方法还可包括：采用金属刻蚀工艺去除种子层，获得单层材料生长模板。

进一步的，所述金属刻蚀工艺包括离子束刻蚀工艺，但不限于此。

较为优选的，所述种子层的厚度为50-500nm。

进一步的，所述种子层的材质包括金、银、铜、钛中的任一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述衬底包括硅片、氧化硅片或石英片，但不限于此。

进一步的，所述有机高分子材料包括PMMA、紫外光刻胶AZ5214、AZ4620或PI，但不限于此。

较为优选的，所述材料生长模板的厚度为5-200μm。

进一步的，所述材料生长模板的材质包括能够作为催化剂生长石墨烯、二硫化钼、黑磷等单原子层二维材料等材料，例如，可选自镍、铜、铝、镍钼合金中的任一种或两种以上的组合，但不限于此。