制造部分独立式石墨烯晶体膜的方法和包括这样的膜的器件技术

所公开的是一种制造部分独立式石墨烯晶体膜（16,16'）的方法，该方法包括提供在第一表面上承载用于形成石墨烯晶体层的催化剂层（14）的衬底（10）；在催化剂层上形成石墨烯晶体膜；利用保护层（18）覆盖至少石墨烯晶体膜；蚀刻衬底的第二表面中的腔体（24），第二表面与第一表面相对，所述腔体终止于催化剂层上；从腔体蚀刻催化剂层的所暴露部分；以及移除保护层，从而获得在所述腔体之上独立的石墨烯晶体膜。还公开了以该方式制造的器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及制造部分独立式二维(2D)晶体膜的方法，该方法包括提供在第一表面上承载用于形成二维晶体膜的催化剂层的衬底以及在催化剂层上形成二维晶体膜。本专利技术还涉及包括部分独立式二维晶体膜的器件。
技术介绍
诸如石墨烯、氮化硼、二硫化钨和二硫化钼晶体之类的2D晶体由于这样的材料潜在地展现出的独特性质而吸引着大量关注。例如，除导电2D晶体(诸如石墨烯)作为导体在电子电路和电光器件中的应用之外，这样的材料理论上能够形成极其有效的气密屏障层，该气密屏障层可以使用在各种各样的应用中，诸如水净化隔膜、DNA测序隔膜、有机发光二极管(OLED)材料的保护层、用于深UV光刻应用的过滤器(filter)。然而，在获得具有足够高的质量以展现出所预测的性质的2D晶体方面的重要阻碍是在制造过程中，2D晶体(例如石墨烯)必须从2D晶体已经形成到其上的第一衬底或催化物箔转移到2D晶体要应用到其上的第二衬底。这样的转移过程可以例如通过以下实现:在2D晶体的所暴露表面上形成光致抗蚀剂层(例如PMMA层)和/或热释放胶带以在衬底或箔的移除和所释放的2D晶体向目标衬底的随后转移期间支撑2D晶体，在完成转移过程之后从2D晶体移除该光致抗蚀剂层和/或热释放胶带。例如，诸如PMMA之类的光致抗蚀剂层可以通过利用合适溶剂的清洗步骤来移除，而热释放胶带可以通过将胶带加热到其分解温度以上来分解。转移过程的示例在US 2012/0282419 Al中公开，其公开了一种形成充当气体和湿气屏障的石墨烯保护膜的方法。该方法包括通过将包含碳源的反应气体和热量供给到衬底来在衬底上产生石墨烯膜；以及通过干法过程、湿法过程或卷对卷过程将石墨烯膜转移在柔性衬底上以利用石墨烯膜涂覆柔性衬底。存在归因于这样的转移过程的若干问题。首先，支撑材料的随后移除在2D晶体上留下支撑材料的碎片，例如PMMA碎片或胶带粘合剂碎片，该碎片负面地影响诸如石墨烯之类的2D晶体的电气性质。而且，转移过程期间的2D晶体中的折叠、裂缝、针孔和其它缺陷的形成实际上是不可能避免的，该缺陷使2D晶体的电气和屏障性质降级。US 7,988,941 B2和US 8, 075, 864 B2每一个公开了一种大体无缺陷的独立式石墨烯片。然而，由于这些石墨烯片需要进一步处置，例如放置在目标衬底上，因此难以避免在进一步处置期间的缺陷创建。而且，在实践上难以在不引入缺陷的情况下增加这样的石墨烯片的大小。这凸显了石墨烯的工业化方面的一个主要瓶颈，即可以在没有引入针孔和裂缝的风险的情况下处置的至少部分独立式石墨烯层的可得到性，其中石墨烯层的独立式部分可以具有范围从几nm2到数百cm 2及以上的面积使得其可以用作例如过滤器或隔膜。
技术实现思路
本专利技术力图提供一种产生可以更为简单地处置的部分独立式2维晶体膜的方法。本专利技术还力图提供一种包括这样的部分独立式2维晶体膜的器件。根据本专利技术的一方面，提供一种制造部分独立式二维晶体膜的方法，该方法包括提供在第一表面上承载用于形成二维晶体层的催化剂层的载体；在催化剂层上形成二维晶体膜； 利用保护层覆盖至少二维晶体膜； 蚀刻载体的第二表面中的腔体，该第二表面与第一表面相对，所述腔体终止于催化剂层上；从腔体蚀刻催化剂层的所暴露部分；以及移除保护层，从而获得在所述腔体之上独立的二维晶体膜。本专利技术的方法提供二维晶体膜，诸如例如石墨烯、氮化硼、二硫化钨和二硫化钼以及金属硫族化合物(dichalcogenide)晶体膜，其中二维晶体膜的一部分是独立的，但是膜的边缘通过由载体形成的支撑结构来支撑，使得可以在不引入膜中的缺陷的情况下处置膜。该方案允许形成大面积独立式二维晶体膜，其大体无缺陷并且可以用作例如过滤或隔膜结构而不要求精密处置，因为二维晶体膜的独立式部分由所述支撑结构支撑。在实施例中，二维晶体膜是石墨烯晶体膜。在实施例中，二维晶体膜可以具有大约0.3-50nm的厚度，例如包括高达100个石墨烯层，或者大约20_40nm的厚度，例如包括50-100个左右的石墨烯层。在可替换实施例中，二维石墨烯晶体膜是单个层，诸如单个石墨烯层。二维晶体膜的厚度可以通过形成步骤的持续时间以及通过控制用于形成二维晶体膜的前驱体材料的量来控制。在二维石墨烯晶体膜的情况下，催化剂层可以是铜、镍、铂或钌层中的一个。铜、镍、铂和钌全部已知为合适的石墨化催化剂并且因此是用于形成催化剂层的合适材料。铜和镍特别合适。尽管可以使用任何合适的载体，但是载体优选地是具有氧化物表面层的硅衬底，因为这样的衬底可以在全世界大多数半导体代工厂中进行常规处理。在该实施例中，保护层可以是附加地覆盖氧化物表面层的所暴露部分的氮化物层。氮化物电介质层(例如氮化硅层)具有抵挡基于硅的半导体器件制造过程中所使用的许多蚀刻配方的良好抵抗性并且因此特别适合作为二维晶体膜之上的保护层。在实施例中，蚀刻衬底的第二表面中的腔体的步骤包括蚀刻第二表面上的氮化物和氧化物层以暴露硅衬底；蚀刻硅衬底以暴露第一表面处的氧化物层；以及蚀刻第一表面处的氧化物层以暴露催化剂层。该方法还可以包括提供覆盖2维晶体膜的保护层之上的另外的氧化物层，诸如硅氧化物层，并且其中蚀刻第一表面处的氧化物层以暴露催化剂层的步骤还包括蚀刻另外的氧化物层以暴露所述保护层。如果保护层是氮化物层，则这特别有利，因为氮化物层可以包括可能准许在各种蚀刻步骤期间接入受保护的二维晶体膜的针孔，从而如果膜材料对于蚀刻配方不是惰性的则冒有损坏二维晶体膜的风险。另外的氧化物层有效地密封这样的针孔，从而防止发生这样的损坏。依照本专利技术的另一方面，提供一种器件，包括载体；通过载体的腔体；以及具有所述腔体之上的独立式部分的二维晶体膜，其中二维晶体膜由载体支撑并且通过用于形成二维晶体膜的催化剂层与所述载体分离。可以通过本专利技术的方法制造的这样的器件受益于具有通过载体的通孔腔体之上的独立式无缺陷二维晶体膜，其使得器件特别适合用作晶片分档器的深UV过滤器中或DNA测序装置中的隔膜、保护OLED器件中的有机发光二极管的气体屏障等等。二维晶体膜可以是石墨烯、氮化硼、二硫化钨、二硫化钼和金属硫族化合物晶体膜中的一个。石墨烯晶体膜特别优选。二维晶体膜可以具有任何合适的厚度，这取决于其要执行哪个功能。二维晶体膜可以具有尚达50nm的厚度，例如包括尚达100个石墨稀层，如果石墨稀晶体I旲要用作屏障层则这可以是有用的。二维晶体膜可以具有小于20nm的厚度，例如包括少于50个石墨烯层，或者甚至少于20个层，并且可以是单个层，如果二维晶体膜需要是透明的或者要用作隔膜则这可以是有用的。载体优选地是硅衬底，并且催化剂层优选地是石墨化催化剂，诸如铜、镍、铂或钌层。【附图说明】参照附图通过非限制性示例的方式并且更加详细地描述本专利技术的实施例，其中: 图1示出在利用PMMA光致抗蚀剂作为当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造部分独立式二维晶体膜（16,16'）的方法，所述方法包括：提供在第一表面上承载用于形成二维晶体层的催化剂层（14）的载体（10）；在催化剂层上形成二维晶体膜；利用保护层（18）覆盖至少二维晶体膜；蚀刻载体的第二表面中的腔体（24），第二表面与第一表面相对，所述腔体终止于催化剂层上；从腔体蚀刻催化剂层的所暴露部分；以及移除保护层，从而获得在所述腔体之上独立并且仅在边缘区域中由载体支撑的二维晶体膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：K阿萨蒂，JH克鲁特维克，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL