一种制备高取向性石墨烯纳米结构的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于先进半导体材料和结构制造技术领域，具体来说，涉及一种制备高取向性石墨烯纳米结构的方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米结构在电子器件、能源、环境等领域具有广泛的应用。其中，有序碳纳米结构比如石墨烯，碳纳米管，富勒烯等结构长期受到广泛的研究并在广泛的领域已经获得了应用。但是，将这些纳米材料和结构应用于半导体器件仍然存在一定的困难。其中，最重要的一点是纳米结构的定点可控制备。由于这些纳米材料和结构的特征尺度都在纳米级别，通常将其制备好后如果要将其按照既定的取向定位于衬底上的某一个位置是比较困难的，所以现在部分研究者在寻找直接在衬底上定点制备这些纳米材料的方法。比如，先利用光刻的方法在衬底上定义催化剂的位置，之后进行生长工艺以使得纳米材料和结构只在有催化剂的位置进行生长。这一方法实际上仍然难以获得良好的可控性，因为要实现基于单个或者可控个数的纳米结构的器件制备需要非常严格的控制制备工艺参数。虽然这一方法可以在实验室经过严格的实验条件控制获得，但是实际的制备比较困难。为此，实现高精度的碳纳米结构制备是有显著的实际意义的。
[0003]电子束、离子束等粒子束加工方法是目前能够良好实现纳米级别定位精度的方法，特别是电子束方法具有更高的定位精度，可以实现材料的辐照以进行缺陷修复和材料淀积。比如，电子束诱导的材料淀积可以用于高精度制备纳米结构和材料，电子束辐照刻蚀可以实现材料的表面加工等等。其中，电子束诱导的材料淀积一般只能用于非晶材料的制备，而电子束辐照刻蚀一般只能基于原材料进行修饰。在基于电子束技术的碳材料制备中，电子束诱导的材料淀积可以获得非晶碳结构，结合电子束辐照刻蚀后可以促进其晶化。基于电子束辐照晶化的原理，辐照过程一般是各项同性的，因此普通的电子束辐照和刻蚀可以获得类似于富勒烯的各项同性结构，但是无法获得具有各项异性结构的材料，比如较大尺寸的石墨烯结构。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种制备高取向性石墨烯纳米结构的方法，可以获得高取向性的石墨烯纳米结构。
[0005]技术方案:为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案:
一种高取向性石墨稀纳米结构的制备方法，该方法包括以下步骤:
步骤10)在衬底表面制备非晶碳纳米线，所述的非晶碳纳米线为含碳的有机物材料制成；
步骤20)对非晶碳纳米线施加拉伸应力，并且进行电子束辐照，辐照能量小于非晶碳纳米线材料的表面溅射能量阈值，且小于非晶碳纳米线材料的体刻蚀阈值，辐照时间为5-200分钟，从而制得沿着应力或者应变方向取向的高取向性石墨烯纳米结构。
[0006]作为优选例，所述的非晶碳纳米线在电子束辐照强度下，至少在5分钟内非晶碳纳米线材料不分解。
[0007]作为优选例，所述的电子束辐照能量为使非晶碳纳米线材料表面碳原子产生溅射的电子束能量阈值的20%_80%。
[0008]作为优选例，所述的对非晶碳纳米线施加拉伸应力是指:使用热致伸缩、声致伸缩、光致伸缩、电致伸缩或者磁致伸缩的间接应力、应变加载方式，或者直接施加应力、应变加载的方式，对非晶碳纳米线施加拉伸应力。
[0009]作为优选例，所述的对非晶碳纳米线施加拉伸应力时，施加的拉伸应力低于非晶碳纳米线的断裂极限，且辐照过程中，由于应力释放导致的非晶碳纳米线沿长度方向产生的应变大于0.001%。
[0010]有益效果:与现有技术相比，本发明实施例的制备方法具有以下优点:
1.可以实现高取向性石墨烯纳米结构的制备。虽然常规方法可以实现有序结构的制备，比如富勒烯等结晶材料，但是一般只能获得各项同性结构的材料，材料不具有特定的取向性。而本发明的制备方法可以获得具有高取向性的石墨烯纳米结构。同时，本发明的制备方法简单，制备效率高。本发明的制备方法不需要气源、管式炉、真空控制设备，以及严格控制的制备流程。本方法使用简单的应力加载下的电子束辐照技术即可实现石墨烯取向结构的制备。同时，采用常规方法制备石墨烯纳米结构需要数小时，而采用本发明的方法制备一根取向性石墨烯纳米结构通常小于一小时，时间较短，制备效率高。
[0011]2.可以实现高精度定点制备。基于电子束加工的高空间分辨率，结合电子束的成像功能可以实现电子束的高精度定位。定位后进行加工则可以实现高精度的定点加工制备碳纳米结构。
[0012]3.可以通过调节施加应力或者应变的方向来获得沿着特定的、所需要方向取向的高取向性石墨烯结构。目前，其他方法比如化学气相沉积只能获得平行于衬底表面取向石墨烯，但是本实施例的方法可以使用改变施加的应力或者应变的方向，来获得沿着不同方向取向的石墨稀结构。
【附图说明】
[0013]图1是本发明实施例步骤10)中，衬底和非晶碳纳米线的俯视图；
图2是本发明实施例步骤10)中，衬底和非晶碳纳米线的正视图；
图3是本发明实施例步骤20)中，电子束与非晶碳纳米线的位置示意图，图中箭头表示应力或者应变的施加方向；
图4是本发明实例中纳米线的TEM照片；
图5是本发明实例中纳米结构的伸长量随着辐照时间的变化线条图；
图6是本发明实例中有机非晶纳米线随着辐照时间的内部结构变化的电子显微图片。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0015]本发明实施例的一种高取向性石墨烯纳米结构的制备方法，该方法包括以下步骤: 步骤10)在衬底表面制备非晶碳纳米线。
[0016]作为优选例，如图1和图2所示，在衬底4的顶面通过两片金属电极3固定非晶碳纳米线2。所述的非晶碳纳米线2为含碳的有机物材料制成。非晶碳纳米线在电子束辐照强度下，至少在5分钟内非晶碳纳米线材料不分解。
[0017]步骤20)对非晶碳纳米线施加拉伸应力，并且进行电子束辐照，辐照能量小于非晶碳纳米线材料的表面溅射能量阈值，且小于非晶碳纳米线材料的体刻蚀阈值，辐照时间为5-200分钟，从而制得沿着应力或者应变方向取向的高取向性石墨烯纳米结构。
[0018]对非晶碳纳米线施加拉伸应力的方式有多种。使用热致伸缩、声致伸缩、光致伸缩、电致伸缩或者磁致伸缩的间接应力、应变加载方式，或者直接施加应力、应变加载的方式，对非晶碳纳米线施加拉伸应力。施加的应力或应变是针对非晶碳纳米线施加的。作为一优选例，应力或者应变的施加可以通过加热具有较大热膨胀系数的衬底4进行，也就是说，衬底4的热膨胀系数大于非晶碳纳米线2的热膨胀系数。如图3所示，对处于拉伸应力或应变状况下的非晶