本發(fā)明屬于微納尺度器件加工領(lǐng)域，具體涉及一種納米尺度縫隙的制備方法。

背景技術(shù)：

在一些微納器件或材料中，納米尺度縫隙會起到非常關(guān)鍵的作用，制備出合適的納米尺度縫隙是這些微納器件或材料能正常工作的關(guān)鍵，如：平面柵控場效應(yīng)晶體管中，納米尺度縫隙起到類似絕緣介質(zhì)層的作用，而石墨烯平面柵控場效應(yīng)晶體管中的納米尺度縫隙寬度一般在10nm以下，一般是使用透射電鏡在大加速電壓轟擊下形成；在納米尺度溝長的二維材料場效應(yīng)晶體管中，源漏電極之間以一定納米尺度縫隙隔離，這個(gè)縫隙在一定程度上決定了這類場效應(yīng)晶體管的溝長，這個(gè)納米尺度縫隙，主要依賴電子束曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)；在微流體研究和應(yīng)用領(lǐng)域中，微通道是微流體的重要載體，而納米凹槽或納米縫隙又往往是微通道的重要組成部分，這些納米凹槽或納米縫隙一般需要使用一些精密的加工技術(shù)來獲得；使用反滲透淡化技術(shù)對海水進(jìn)行淡化時(shí)，需要用到半透膜，這個(gè)半透膜一般是具有納米破洞或納米縫隙的薄膜，只允許水分子通過而不允許其它雜質(zhì)透過，利用這種具有納米破洞或納米縫隙的薄膜才能實(shí)現(xiàn)鹽與水的分離。

以上提到的納米尺度縫隙，或是通過透射電鏡、高精度電子束曝光設(shè)備等精細(xì)圖形加工設(shè)備獲得，需要較高的操作技術(shù)，且無法批量地進(jìn)行加工，經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本都較高；或是在特定的加工制造技術(shù)中合成，其合成步驟往往較為復(fù)雜，且需要嚴(yán)格控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種納米尺度縫隙的制備方法，使用該方法制備的納米尺度縫隙的寬度易于控制。

本發(fā)明納米尺度縫隙制備方法的步驟如下：

1)在所使用的基底材料表面制備若干的線狀凸起；

該基底材料可以是金屬、非金屬、金屬化合物、非金屬化合物、聚合物等。

該基底材料可以是二維材料，也可以是薄膜狀結(jié)構(gòu)。

若基底材料較薄或易破損，自身不具有一定的支撐能力，則需要將其轉(zhuǎn)移至一個(gè)支撐襯底上。該支撐襯底在適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔孟卤粔嚎s或拉伸后，應(yīng)當(dāng)具備一定的形變恢復(fù)能力。

在二維材料或薄膜狀材料上制備線狀凸起，有以下兩種方法：一種是采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法直接制備帶有線狀凸起的基底材料，之后將其轉(zhuǎn)移至硬質(zhì)襯底材料上，以方便后續(xù)加工；另一種是將該基底材料轉(zhuǎn)移至被預(yù)拉伸的柔性支撐襯底上后，將該支撐襯底恢復(fù)至自然狀態(tài)，則原基底材料因?yàn)槭艿綁嚎s力，表面形成許多線狀的凸起。

2)在制備有凸起的基底材料表面沉積一定厚度的保護(hù)層；

這個(gè)保護(hù)層在后續(xù)步驟中將保護(hù)不需要被刻蝕的基底材料，沉積的保護(hù)層表面也形成與原基底材料表面一致的凸起。

該保護(hù)層應(yīng)當(dāng)容易被化學(xué)腐蝕法除去，可以是金屬、非金屬、金屬或非金屬氧化物、金屬或非金屬氮化物、金屬或非金屬硫化物、鹽類化合物、聚合物。

該保護(hù)層的厚度應(yīng)當(dāng)控制在30～200nm，過薄的保護(hù)層無法保護(hù)住下方的基底材料，而過厚的保護(hù)層不僅浪費(fèi)成本，而且在后續(xù)的物理轟擊刻蝕和化學(xué)腐蝕中需要耗費(fèi)的大量的時(shí)間。

保護(hù)層可以使用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、磁控濺射、原子層沉積、基于CVD的沉積方法或旋涂法在制備有凸起的基底材料表面沉積。

3)在保護(hù)層表面再旋涂合適的光刻膠，并使用物理轟擊法進(jìn)行刻蝕；

所選擇的光刻膠應(yīng)當(dāng)容易被物理轟擊法以及非物理轟擊法刻蝕除去。旋涂光刻膠后，光刻膠在有凸起的區(qū)域較薄，而平坦區(qū)域較厚。

選擇合適的參數(shù)條件光刻膠表面進(jìn)行物理轟擊刻蝕，則光刻膠被緩慢可控地減薄，各個(gè)區(qū)域的光刻膠由于受到均勻的物理轟擊，被減薄的速率是相同的。凸起頂端的光刻膠最先被刻蝕掉，露出保護(hù)層。繼續(xù)對保護(hù)層進(jìn)行一定時(shí)間的物理轟擊刻蝕，則凸起頂端的保護(hù)層也逐漸被刻蝕，最終露出下方的基底材料。露出的基底材料為線狀，且露出的線狀基底材料的寬度由物理轟擊的時(shí)間來控制，并決定了最終納米尺度縫隙的寬度。

如果物理轟擊刻蝕的功率過大，將使得納米尺度縫隙的寬度難以控制；而如果刻蝕時(shí)間太長，則原本需要保留的保護(hù)層也有可能會被刻蝕掉。為了避免這些情況出現(xiàn)，物理轟擊刻蝕的一些參數(shù)需要控制在一定的范圍內(nèi)：電子或離子能量應(yīng)在200～400eV的范圍內(nèi)，刻蝕時(shí)間應(yīng)控制在1～10min的范圍。

4)根據(jù)基底材料種類，選擇合適的刻蝕方法對基底材料進(jìn)行刻蝕；

對基底材料的刻蝕，主要使用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)或反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，這兩種方法包含物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的刻蝕方式。一方面，只要選擇的刻蝕氣體合適，這種刻蝕方法就會有一定的材料選擇性，在保護(hù)層不易被刻蝕的同時(shí)，基底材料容易被刻蝕；另一方面，由于這種刻蝕方法依然具有一定的物理轟擊作用，刻蝕出的納米尺度縫隙不容易出現(xiàn)橫向鉆蝕的現(xiàn)象，從而保證獲得的縫隙具有納米尺度。

同樣，刻蝕的參數(shù)需要控制在合理的范圍內(nèi)：氣體流量應(yīng)在10～60sccm的范圍內(nèi)，ICP功率應(yīng)控制在20～150W的范圍，RIE功率應(yīng)控制在25～200W的范圍，刻蝕時(shí)間在20s～60min的范圍內(nèi)。而步驟3)中，保護(hù)層表面未被刻蝕掉的光刻膠，在這一步刻蝕中會被完全刻蝕掉。

5)使用合適的溶液溶解掉步驟2)中沉積的保護(hù)層；

使用合適的溶液，將沉積在基底材料表面的保護(hù)層充分溶解掉，最終在基底材料表面形成納米尺度縫隙。用于溶解保護(hù)層的溶液不應(yīng)當(dāng)溶解基底材料，也不能在基底材料表面生成無法除去的其它物質(zhì)，并且能容易地被除去。

表面有納米尺度縫隙的基底材料制備完畢后，在實(shí)際使用時(shí)，支撐層若不再發(fā)揮作用，也應(yīng)當(dāng)除去。

本發(fā)明的技術(shù)效果：本發(fā)明在有凸起的基底材料表面旋涂光刻膠后，各處光刻膠的厚度是不同的，凸起上方的光刻膠比平整處上方的光刻膠薄。若使用物理轟擊法對光刻膠進(jìn)行刻蝕，使光刻膠逐漸地被整體減薄，則凸起上方的光刻膠最先被完全刻蝕掉。繼續(xù)刻蝕一定時(shí)間，凸起的基底材料也會被刻蝕。利用這一原理，如果在旋涂光刻膠之前，先在基底材料表面沉積一定厚度的保護(hù)層，當(dāng)凸起頂端的一部分受到物理轟擊而被刻蝕掉之后，未被刻蝕掉的保護(hù)層將覆蓋保護(hù)住下方的基底材料，如圖1所示。使用物理轟擊作用較弱的刻蝕方式，繼續(xù)對未被保護(hù)層保護(hù)的區(qū)域進(jìn)行刻蝕，則可以形成納米縫隙，如圖2所示。若未被保護(hù)層保護(hù)的區(qū)域未被完全刻蝕，則形成納米溝槽，如圖3所示；若未被保護(hù)層保護(hù)的區(qū)域被完全刻蝕，則形成納米裂縫，如圖4所示。

本發(fā)明的優(yōu)勢：相對于一般基于電子束曝光技術(shù)或透射電鏡技術(shù)來制備納米尺度縫隙的方法，本發(fā)明的方法不需要借助任何精細(xì)圖形的加工設(shè)備，降低了加工的成本。另外，本發(fā)明中主要用到的刻蝕技術(shù)，只涉及一些簡單參數(shù)(如：電子或離子能量、氣體流量、ICP功率、RIE功率、刻蝕時(shí)間等)的設(shè)置和調(diào)整，相對于一些精細(xì)圖形加工設(shè)備，操作和控制難度較小。本發(fā)明還可以批量地進(jìn)行納米尺度縫隙的制備，大大節(jié)約了時(shí)間成本。

附圖說明

圖1基底材料表面凸起頂端的保護(hù)層被刻蝕掉后的剖面圖；

圖2基底材料表面凸起頂端被刻蝕出一個(gè)凹槽的剖面圖；

圖3基底材料表面凸起頂端被刻蝕出一個(gè)裂縫的剖面圖；

圖4基底材料表面的納米尺度縫隙的剖面圖；

圖中1—光刻膠；2—基底材料；3—保護(hù)層；4—納米尺度縫隙。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。

實(shí)例1：在石墨表面納米尺度縫隙的制備方法。

1)使用CVD法制備帶有線狀凸起的石墨材料；

使用甲烷和氫氣的混合氣體作為碳源，在管式爐中用1000℃的溫度，在鎳箔表面生長石墨。生長出石墨后，將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在石墨表面(2500rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂60s)作為支撐，并使用HNO₃溶液將鎳箔溶解掉。最后轉(zhuǎn)移到干凈的SiO₂/Si支撐襯底上(PMMA上覆蓋有石墨薄膜的一面貼到SiO₂/Si襯底表面)，并使用丙酮溶液將PMMA溶解掉。使用該方法制備的石墨材料，由于鎳箔在冷卻過程中的降溫收縮，表面有很多線狀的凸起。

2)在制備有凸起的石墨材料表面沉積50nm厚的鋁；

在石墨表面使用電子束蒸發(fā)沉積50nm厚的鋁，這層鋁均勻地覆蓋在石墨材料的表面，并且存在和原石墨材料表面一致的線狀凸起。在后續(xù)工藝中，這層鋁作為保護(hù)層，保護(hù)不需要被刻蝕的石墨材料。

3)在鋁保護(hù)層表面旋涂PMMA光刻膠(AR-P 679.04型)，并使用離子束刻蝕(IBE)進(jìn)行刻蝕；

以4000rpm的轉(zhuǎn)速在鋁保護(hù)層表面旋涂AR-P 679.04型PMMA光刻膠60s，該光刻膠平均厚度約為280nm，而凸起處的光刻膠厚度明顯低于這一厚度，具體厚度與石墨表面的凸起高度有關(guān)。

使用IBE刻蝕系統(tǒng)進(jìn)行刻蝕，其離子能量設(shè)置在300eV，刻蝕4.5min，則石墨表面凸起處的保護(hù)層被刻蝕出一個(gè)縫隙。由于CVD法制備的石墨上的線狀凸起的高度各不相同，被刻蝕出的縫隙的寬度在2～200nm的范圍內(nèi)分布。

4)使用ICP刻蝕設(shè)備，產(chǎn)生O₂等離子體，對未被鋁保護(hù)層保護(hù)的石墨材料進(jìn)行刻蝕；

向ICP刻蝕設(shè)備中通入O₂(氣體流量為50sccm)，將ICP功率設(shè)置為100W，RIE功率設(shè)置為150W，刻蝕20min。作為保護(hù)層的鋁，在這一段刻蝕過程中，被氧化成氧化鋁而不會被繼續(xù)破壞，則刻蝕完畢后，未被保護(hù)的石墨材料被完全刻蝕掉，形成石墨的納米尺度縫隙。

5)使用稀鹽酸溶解掉鋁保護(hù)層；

將刻蝕完畢的石墨材料(包括SiO₂/Si支撐襯底)放入稀鹽酸中浸泡30min，以將鋁保護(hù)層完全溶解。最后使用去離子水清洗，并用氮?dú)鈽尨蹈?，從而得到潔凈的石墨的納米尺度縫隙。

實(shí)例2：聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物表面納米尺度縫隙的制備方法。

1)使用預(yù)拉伸的PDMS支撐襯底制備帶有線狀凸起的PDMS材料；

首先在ITO玻璃表面，用3000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂PDMS膜(旋涂時(shí)間60s)。將其置于熱板上用125℃烘烤20min，使PDMS凝固。然后揭下該P(yáng)DMS膜，將其向四周拉伸，使其面積為原始面積的1.5倍，并將其貼于ITO玻璃上。

再在這個(gè)PDMS膜上用同樣的方法旋涂另外一層PDMS膜，再次將其置于熱板上用125℃烘烤20min，使新旋涂的PDMS膜凝固。最后揭下整個(gè)PDMS膜，使其恢復(fù)值未拉伸的狀態(tài)，則在PDMS膜表面出現(xiàn)許多線狀凸起。

2)在制備有凸起的石墨材料表面沉積100nm厚的SiO₂；

在PDMS膜的表面使用熱蒸發(fā)沉積100nm厚的SiO₂，這層SiO₂均勻地覆蓋在PDMS膜的表面，并且存在和原PDMS膜表面一致的線狀凸起。在后續(xù)工藝中，這層SiO₂作為保護(hù)層，保護(hù)不需要被刻蝕的PDMS材料。

3)在SiO₂保護(hù)層表面旋涂AR-N 7520.18型光刻膠，并使用離子束刻蝕(IBE)進(jìn)行刻蝕；

以4000rpm的轉(zhuǎn)速在鋁保護(hù)層表面旋涂AR-N 7520.18型光刻膠60s，該光刻膠平均厚度約為400nm，而凸起處的光刻膠厚度明顯低于這一厚度，具體厚度與PDMS膜表面的凸起高度有關(guān)。

使用IBE刻蝕系統(tǒng)進(jìn)行刻蝕，其離子能量設(shè)置在300eV，刻蝕6min，則PDMS膜表面凸起處的保護(hù)層被刻蝕出一個(gè)縫隙。由于PDMS膜表面的線狀凸起的高度各不相同，被刻蝕出的縫隙的寬度在2～500nm的范圍內(nèi)分布。

4)使用ICP刻蝕設(shè)備，產(chǎn)生O₂等離子體，對未被SiO₂保護(hù)層保護(hù)的PDMS材料進(jìn)行刻蝕；

向ICP刻蝕設(shè)備中通入O₂(氣體流量為35sccm)，將ICP功率設(shè)置為60W，RIE功率設(shè)置為100W，刻蝕25min?？涛g完畢后，未被保護(hù)的PDMS材料下方形成PDMS聚合物材料的納米尺度縫隙。

5)使用氫氟酸溶解掉SiO₂保護(hù)層；

將刻蝕完畢的PDMS材料放入氫氟酸中浸泡30min，以將SiO₂保護(hù)層完全溶解。最后使用去離子水清洗，并用氮?dú)鈽尨蹈?，從而得到潔凈的PDMS聚合物的納米尺度縫隙。

實(shí)例3：單層石墨烯中納米尺度縫隙的制備方法。

1)使用預(yù)拉伸的PDMS膜制備帶有線狀凸起的單層石墨烯材料；

首先制備預(yù)拉伸的PDMS膜：在ITO玻璃表面，用3000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂PDMS膜(旋涂時(shí)間60s)。將其置于熱板上用125℃烘烤20min，使PDMS凝固。然后揭下該P(yáng)DMS膜，將其向四周拉伸，使其面積為原始面積的1.5倍，并將其貼于ITO玻璃上。

然后制備單層石墨烯材料：使用甲烷、氫氣和氬氣的混合氣體作為碳源，在管式爐中用1020℃的溫度，在銅箔表面生長單層石墨烯。生長出單層石墨烯后，將PMMA旋涂在單層石墨烯表面(2500rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂60s)作為支撐，并使用FeCl₃溶液將銅箔溶解掉。

將該單層石墨烯轉(zhuǎn)移到預(yù)拉伸的PDMS膜上(PMMA上覆蓋有單層石墨烯的一面貼到PDMS襯底表面)。因?yàn)镻DMS會緩慢地溶解在丙酮溶液中，因此不能將單層石墨烯浸泡在丙酮溶液中除去PMMA，而應(yīng)該將丙酮溶液滴在PMMA表面，以溶解PMMA。依次經(jīng)過酒精和去離子水清洗后，將得到表面有線狀凸起的單層石墨烯材料，作為支撐層的PDMS繼續(xù)保留。

2)在制備有凸起的單層石墨烯材料表面沉積80nm厚的鋁；

在單層石墨烯表面使用電子束蒸發(fā)沉積80nm厚的鋁，這層鋁均勻地覆蓋在單層石墨烯材料的表面，并且存在和原單層石墨烯材料表面一致的線狀凸起。在后續(xù)工藝中，這層鋁作為保護(hù)層，保護(hù)不需要被刻蝕的單層石墨烯。

3)在鋁保護(hù)層表面旋涂PMMA光刻膠(AR-P 679.04型)，并使用離子束刻蝕(IBE)進(jìn)行刻蝕；

以4000rpm的轉(zhuǎn)速在鋁保護(hù)層表面旋涂AR-P 679.04型PMMA光刻膠60s，該光刻膠平均厚度約為280nm，而凸起處的光刻膠厚度明顯低于這一厚度，具體厚度與單層石墨烯表面的凸起高度有關(guān)。

使用IBE刻蝕系統(tǒng)進(jìn)行刻蝕，其離子能量設(shè)置在300eV，刻蝕5min，則單層石墨烯表面凸起處的保護(hù)層被刻蝕出一個(gè)縫隙。由于單層石墨烯表面的線狀凸起的高度各不相同，被刻蝕出的縫隙的寬度在2～500nm的范圍內(nèi)分布。

4)使用ICP刻蝕設(shè)備，產(chǎn)生O₂等離子體，對未被鋁保護(hù)層保護(hù)的單層石墨烯進(jìn)行刻蝕；

向ICP刻蝕設(shè)備中通入O₂(氣體流量為25sccm)，將ICP功率設(shè)置為20W，RIE功率設(shè)置為25W，刻蝕1min，未被保護(hù)的單層石墨烯被完全刻蝕掉，形成單層石墨烯的納米尺度縫隙。

5)使用稀鹽酸溶解掉鋁保護(hù)層；

將刻蝕完畢的單層石墨烯(包括PDMS支撐襯底)放入稀鹽酸中浸泡30min，以將鋁保護(hù)層完全溶解。最后使用去離子水清洗，并用氮?dú)鈽尨蹈桑瑥亩玫綕崈舻膯螌邮┑募{米尺度縫隙。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。