应用于纳米孔光学检测的石墨烯薄膜转移方法的研究

来源 :东南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:li_heping1986
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微纳加工水平的飞速进步使得固态纳米孔传感技术在近年来取得了很大的进展。不论是在纳米孔信号的分辨率上,还是信噪比的控制上,都比之前有了很大的提高。在单个纳米孔信号的质量可以满足部分应用后,人们开始对固态纳米孔传感的通量提出了要求。这样的设想面临着两大难题:同时获取多通道信号的检测方法和高效可控地制备固态纳米孔阵列。首先,传统的离子电流检测手段很难实现对多个纳米孔的信号同时进行监测,这就使得可以实现多通道同时监测的光学检测方法与固态纳米孔传感技术的结合。其次,石墨烯薄膜作为超薄的二维材料,已经在很多纳米孔实验中证明了其优越性。同时,石墨烯薄膜具备更大的加工纳米孔阵列的潜力。所以,作为石墨烯纳米孔制备的前置工艺,石墨烯薄膜的转移就十分关键。目前最为主流的石墨烯转移方法是以PMMA作为支持层来对石墨烯进行辅助转移的,但其问题在于湿法处理的过程中很容易导致石墨烯薄膜的破损,而且在支持层去除的环节很难完全除尽PMMA的残余。本文对现有的石墨烯转移方法进行了详尽的讨论。首先,对作为石墨烯薄膜基底的悬空氮化硅薄膜芯片进行了制备,对不同参数下的氮化硅薄膜状态进行了分析。然后,对经典的PMMA转移工艺进行了探索,并通过有机试剂的湿法处理和真空热退火的干法处理,分别对转移后石墨烯薄膜上残留的PMMA进行去除,讨论了两种处理方法下石墨烯薄膜的表面形貌。同时,提出了一种以富勒烯为支持层的石墨烯薄膜转移方法,对经典的PMMA材料进行了替换,并详细讨论了两种材料作为支持层来转移石墨烯薄膜效果。论文的具体研究内容及结果如下:(1)悬空氮化硅薄膜基底的设计与制备:设计芯片的整体尺寸以适配透射电子显微镜制备及表征纳米孔,悬空氮化硅薄膜面积以获得最大可能通量,微米孔孔径大小和微米孔间的距离以均衡悬空石墨烯薄膜的最大尺寸和芯片最大光学分辨率。探讨了高、低应力氮化硅对于纳米孔器件的适应性,并得到了反应离子刻蚀制备氮化硅上微米孔阵列的最佳反应条件。(2)PMMA作为支持层的石墨烯薄膜转移方案:研究经典的石墨烯薄膜转移工艺,并使用真空热退火的方法代替有机溶剂腐蚀方法,对PMMA支持层进行去除。通过比较两种去除方法的实际效果,得到结论是二者都可以去除大部分的PMMA薄膜,传统的湿法去除方法出现的少部分残留呈现雾状,且残留物之间相互联结;干法处理方式所得到的石墨烯薄膜的洁净度更好,极少的残留物呈点状分布,且残留物之间不发生联结独立存在于石墨烯表面。不过干法处理对温度的变化较为敏感,相比传统方法来讲不易控制。(3)富勒烯作为支持层的石墨烯薄膜转移方案:对经典的石墨烯转移方法中的支持层材料用富勒烯进行替换。研究了富勒烯作为石墨烯转移的支持层的理论可能,然后实践证明了这种方法的可行性。并通过与经典的PMMA转移法的详细对比,证明了富勒烯转移方法的优势:操作条件更加柔和,石墨烯薄膜转移过程中的破损概率大大降低;支持层材料的残留量更低,且对石墨烯薄膜无有机污染。
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