[发明专利]磁场辅助紫外光氧化实现石墨烯薄膜图案化方法及其装置

说明书

本发明提供了一种磁场辅助紫外光氧化实现石墨烯薄膜图案化方法，包括如下步骤：步骤1：在紫外光氧化真空设备的样品架(8)上放置磁场发生装置，将紫外光氧化真空设备的磁场调至到预设磁场；所述预设磁场为反应腔室内的磁场、反应腔室内的磁场梯度方向均垂直于样品架(8)；步骤2：将表面放置有掩模版(14)的样品(13)置于样品架(8)上，调整样品架(8)与光源(6)的距离至预设距离；步骤3：将反应腔室(1)内的空气排出。本发明利用磁场辅助紫外光氧化方法，以水分子为氧化源，通过在样品表面施加竖直方向的非均匀磁场，控制紫外光生顺磁性OH(X²Ⅱ)自由基产生定向运动，具有增强氧化刻蚀效果。

技术领域

本发明涉及一种制备薄膜图案的方法，具体地，涉及一种磁场辅助紫外光氧化实现石墨烯薄膜图案化方法及其装置；尤其涉及一种利用紫外光照射水分子将其分解生成顺磁性强氧化OH(X²Ⅱ)自由基，在非均匀竖直磁场中定向刻蚀石墨烯，实现高质量的石墨烯薄膜图案化的方法及其装置。

背景技术

在以低压汞灯、氙灯准分子放电管为光源的紫外光氧化过程中，184.9nm和172nm的紫外光辐射能将氧气分解生成氧原子和臭氧分子，氧原子具有很强的氧化性，能够有效清除大多数金属、半导体和绝缘材料的有机污染物，在材料生长、表面改性和器件制备等基础研究和产业应用领域发挥着重要作用。由于氧气分子和基态氧原子O(³P)均具有顺磁性，通过施加磁场、磁场梯度方向均垂直于样品表面的非均匀磁场，基态氧原子具有定向增强氧化刻蚀，能够实现石墨烯薄膜图案化及在电子、光电子元件领域的应用(Sci.Rep.7,46583,2017；Phys.Chem.Chem.Phys.19,27353,2017，申请专利号：201610546722.6)。

以氧气分子为氧化源，开展磁场辅助紫外光氧化制备石墨烯薄膜图案存在如下瓶颈，(1)基态氧原子的氧化刻蚀强度与传统的激光或者氧等离子体相比较低；(2)紫外光分解过程中产生的不稳定弱抗磁性臭氧气体分子，其导致了掩模版下面石墨烯的横向钻蚀氧化。

若以水汽取代氧气作为氧化源，在波长为120～186.4nm范围内的紫外光照射下，水分子发生光解反应，生成自旋均为1/2的H(1²S)和强氧化性OH(X²Ⅱ)自由基(J.Chem.Phys.46,2440,1967)。然而，由于水汽对该波段紫外光的强吸收及其它气体散射，使得紫外光在大气条件下传输数毫米甚至几十微米范围后即急剧衰减，该紫外光氧化对样品表面清洗或氧化效果极弱，导致以水分子为氧化源的紫外光氧化方法并未在传统紫外光氧化设备中推广。我们利用紫外光氧化真空腔室，可以有效控制水汽的含量，通过排出腔室其它气体并控制引入的水分子压强可有效降低气体分子散射和增大紫外光传输距离，实现增强紫外光氧化。通过进一步在真空腔室中施加非均匀竖直磁场，顺磁性强氧化OH(X²Ⅱ)自由基磁化并对石墨烯薄膜产生定向增强氧化刻蚀，且定向运动的顺磁性H(1²S)自由基能降低对OH(X²Ⅱ)的散射。因此，在该紫外光氧化过程中，水汽对低压汞灯发射的184.9nm光子或氙灯准分子放电管发射的172nm光子吸收系数增大，且OH(X²Ⅱ)自由基的氧化性比基态氧原子O(³P)强百万倍，在磁控条件下能显著提高对碳原子的刻蚀强度，达到“裁剪”石墨烯薄膜实现图案化目的，如方程式(1)、(2)所示。具体来说：与氧气分子相比，水汽分子对低压汞灯发射的184.9nm光子或氙灯准分子放电管发射的172nm光子的吸收系数(1atm下，184.9nm处为～1.5cm^-1，172nm处为～100cm^-1)比氧气分子均提高一个数量级。此外，水分子为稳定的弱抗磁性分子，这有效避免了其在掩模版下面因横向钻蚀导致与臭氧气体类似的氧化刻蚀。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种磁场辅助紫外光氧化实现石墨烯薄膜图案化方法。