科技新星—解意洋—2020118

20240719

科学研究和技术服务业

垂直取向石墨烯是一种特殊结构的石墨烯，它是由无数垂直于衬底的石墨烯纳米片构成。目前制备垂直取向石墨烯的主流方法是等离子增强化学气相沉积法。垂直取向石墨烯的成型依赖于沉积过程中产生的等离子体鞘层，而不是金属的催化作用，因此垂直取向石墨烯不再受金属催化剂的限制，在非金属衬底上也可生长。这是垂直取向石墨烯的一大优势，但同时也带来了新的问题，那就是不能通过图形化催化剂的方法实现垂直取向石墨烯的图形化生长。目前，垂直取向石墨烯的图形化技术包括一下几种：(1)先在衬底上生长垂直取向石墨烯，在使用光刻和氧等离子体刻蚀工艺进行图形化。但是由于垂直取向石墨烯的特殊形貌，这种方法会造成光刻胶残留物难以去除，同时光刻也会对垂直取向石墨烯的形貌造成损伤。(2)使用胶带对长有垂直取向石墨烯的衬底样品进行粘揭。这种方法仅能对垂直取向石墨烯的外形尺寸进行粗略处理，无法实现精细化的图形。(3)在材料生长时将硬掩模板覆盖在衬底上，以此控制垂直取向石墨烯的生长区域。此种方法受掩模板的低精度的制约，仍不能满足高精细度的需求，且实现掩模板与衬底完全贴合的操作难度过大。 针对现有技术的不足，本成果提供了一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，采用氧化物/金属双牺牲层的方法，利用垂直取向石墨烯生长过程中金属向氧化物扩散形成混合物牺牲层，以及生长结束后降温过程中混合物牺牲层与衬底的应力失配，实现了垂直取向石墨烯的图形化生长。该方法图形化精细度高，至少可以实现微米级的图形化垂直取向石墨烯的生长，并且对衬底材料的限制小，通过对氧化物牺牲层和金属牺牲层厚度的调整，可以适用于不同的垂直取向石墨烯制备工艺。

本成果转化需要在超净环境中工作，需要使用紫外光刻机、超声清洗机、磁控溅射、化学气相沉积系统等设备。

可国（境）内外转让

本成果采用氧化物/金属双牺牲层的方法，利用垂直取向石墨烯生长过程中金属向氧化物扩散形成混合物牺牲层，以及生长结束后降温过程中混合物牺牲层与衬底的应力失配，实现了垂直取向石墨烯的图形化生长。有着以下优势：(1)本发明避免了常规图形化工艺过程中的光刻胶残留和垂直取向石墨烯破损的问题；(2)本发明的图形化精细度高，至少可以实现微米级的图形化垂直取向石墨烯的生长；(3)本发明对衬底材料的限制小，但凡可以承受生长温度的衬底，均可使用本发明进行垂直取向石墨烯的图形化生长；(4)通过对氧化物牺牲层和金属牺牲层的厚度的调整，本发明可适用于不同的垂直取向石墨烯制备工艺，应用范围广泛。 该方法有助于垂直取向石墨烯的生长技术的提升，增强垂直取向石墨烯的产业化潜力。

科技新星

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

垂直取向石墨烯是一种特殊结构的石墨烯，它是由无数垂直于衬底的石墨烯纳米片构成。这种独特的形貌使得垂直取向石墨烯具有常规平面石墨烯无可比拟的优势，如：暴露的锋利边缘、非堆积形态、巨大的表面-体积比。与此同时，垂直石墨烯也在很大程度上保留了常规石墨烯的高迁移率、良好机械性能和热传导性的特性，因此在储能、催化、生物传感和光探测领域具有广泛的应用前景。制备垂直取向石墨烯的主流方法是等离子增强化学气相沉积法。垂直取向石墨烯的成型依赖于沉积过程中产生的等离子体鞘层，而不是金属的催化作用，因此垂直取向石墨烯不再受金属催化剂的限制，在非金属衬底上也可生长。这是垂直取向石墨烯的一大优势，但同时也带来了新的问题，那就是不能通过图形化催化剂的方法实现垂直取向石墨烯的图形化生长。 本成果采用氧化物/金属双牺牲层的方法，利用垂直取向石墨烯生长过程中金属向氧化物扩散形成混合物牺牲层，以及生长结束后降温过程中混合物牺牲层与衬底的应力失配，实现了垂直取向石墨烯的图形化生长。该方法有助于垂直取向石墨烯的生长技术的提升，增强垂直取向石墨烯的产业化潜力。