[发明专利]一种具有周期可调屈曲结构的柔性半导体薄膜及制备方法

说明书

本发明提供一种柔性屈曲结构周期可调的半导体薄膜及其制备方法，属于纳米薄膜制备技术领域。本发明通过在半导体薄膜上构筑周期性阵列排布的孔洞微结构，实现了在不改变预拉伸量和薄膜属性的前提下调控半导体薄膜屈曲结构的周期，使得能够适用于多种环境和条件下的应变工程研究，节约资源；并且配合使用柔性基底，使得整个薄膜具备一定的耐拉伸性；除此之外，本发明可调应变薄膜的制备工艺简便易行，调控方法简单易操作。

技术领域

本发明属于纳米薄膜制备技术领域，具体涉及一种柔性屈曲结构周期可调的半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

上世纪60年代时，科学家们就提出过柔性可延展电子器件的概念，在过去数十年里，随着科技进步与材料学发展，柔性电子器件，特别是有机柔性电子器件得到快速发展，如柔性OLED，柔性有机太阳能电池等。在力学领域里，很早便有对柔性结构的理论研究，在这些理论之中，屈曲(buckling)模型被认为是实现器件柔性、可延展化的一种有效的途径。早在2004年，二维人字状的屈曲模式被Chen等人发现并进行理论分析，他们论证了这种屈曲模式的产生是受系统能量最低的状态所决定的。2005年，Huang等人通过力学理论说明了：一、基于一维屈曲模型理论，刚性薄膜的屈曲波长和波幅与基底薄膜厚度和模量的关系；二、通过二维有限厚度基底模型计算薄膜的二维屈曲形状和三维基体的弹性场。基于以上两篇理论文章的基础，随后的研究便开始更多地将传统半导体材料或是器件进行柔性、可延展化地展开。2006年，UIUC的J.A.Rogers教授等人在Science上发表了一篇将硅刻蚀成纳米条带，在实现硅的屈曲化之后，通过表征方法测得屈曲状波浪的波长与振幅，并与之前纯理论模型预计相比较，得出了实验与理论之间的一致性。屈曲结构的波纹周期在基底薄膜材料属性和基底预拉伸量确定的情况下周期为固定值。

应变半导体薄膜技术被广泛应用于现阶段的集成电路工艺，因为半导体薄膜中的局部应力提升了载流子的迁移率，而调控具有屈曲结构的半导体薄膜的周期会带来薄膜中局部应力的变化，提升半导体薄膜的电学特性；并且在光电传感器件方面通过调控屈曲结构周期就可以间距调控单位薄膜面积接触光的面积调控光电流的大小。因此，如果能实现不改变材料属性以及拉伸量的条件下，能够系统性调控半导体薄膜屈曲结构的周期变化的方法研究有重要意义。目前在半导体屈曲结构周期调控方面的研究较少，公开号为CN110620140A的“一种柔性梯度应变薄膜及其制备方法和应用”专利通过设计薄膜几何轮廓形状得到梯度应变薄膜，使其周期呈现了梯度变化，但是该方案较难按照要求去准确调控周期；Huang Yin等人通过在PDMS衬底上刻蚀沟槽，再转移硅薄膜增加耐拉伸量，但并没有涉及对屈曲结构周期的调控。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有周期可调屈曲结构的柔性半导体薄膜及其制备方法。本发明应变薄膜通过在半导体薄膜上构筑周期性阵列排布的孔洞微结构，使得在不改变材料属性以及拉伸量的条件下，构建的屈曲结构的周期可调，并且制备方法简单、易于实现。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有周期可调屈曲结构的柔性半导体薄膜，包括柔性基底和位于柔性基底表面的具有屈曲结构的半导体薄膜，其特征在于，所述半导体薄膜上设置m*n个周期性阵列排布的孔洞，所述孔洞间距与孔洞的直径的比值小于3，目标周期根据实际周期需求进行设置，垂直于预拉伸方向的相邻两孔洞之间的间距称为孔洞间距，平行预拉伸方向的相邻两孔洞之间的间距称为目标周期。

进一步地，所述半导体薄膜上设置的孔洞周期可以为固定周期或变化周期。

进一步地，所述半导体薄膜材料为硅、砷化镓、锗等；所述柔性基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex等。

进一步地，半导体薄膜的厚度为40-500nm，柔性基底的厚度为1-10mm。

进一步地，步骤1所述孔洞阵列的孔洞的直径为4-42μm，垂直预拉伸方向和平行预拉伸方向的相邻两孔洞之间的间距均为7.5-150μm。