：本发明属于电子器件领域，特别涉及一种基于纳米线掩膜打印工艺的石墨烯纳米带的制备方法。
背景技术
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背景技术：
1、在数字化时代的背景下，人工智能技术的快速发展正在不断增加对先进电子设备的需求，这种趋势促进了半导体和纳米材料领域中电子材料特性及其制造技术的进步。作为一种二维纳米材料，石墨烯因具备高载流子迁移率的卓越电子性能而被广泛研究，但其零带隙的固有属性在某些电子应用中表现为明显的缺陷，特别是在晶体管等半导体设备中。
2、一维石墨烯纳米带技术的引入为以上问题提供了一个有效的解决方案。通过尺寸减小引发的量子限制效应，石墨烯纳米带的带隙得到了扩展，使其具备了半导体材料的功能特性。这种特性转变使得石墨烯在电子器件的应用，尤其是高性能晶体管的制造上成为可能。然而，现阶段石墨烯纳米带的制备方法通常采用金属纳米粒子侵蚀、碳纳米管剖开、原子组装等方法，但这些方法普遍存在工艺复杂、无法精确定义石墨烯纳米带形貌尺寸等问题，限制了其在工业规模应用的可行性。使用一维掩膜板进行离子束曝光的方法，可以精确地控制石墨烯纳米带的宽度和形态。然而现有纳米线掩膜板的制备技术仍然存在纳米线排列分布不均匀难以自定义图案化的挑战。据文献“rational fabrication of graphenenanoribbons using a nanowire etch mask”(见美国学术期刊《nano letters》2009年,第9卷,2083-2087页)报道，采用化学合成的纳米线作为氧等离子体蚀刻中的掩膜板来制备石墨烯纳米带。然而采用化学合成法制备的纳米线掩膜无法完成精确掩膜图案的设计。据专利“一种石墨烯纳米带的制备方法”(cn 110342504a,2019.10.18)报道提出了探针操纵纳米线方向和距离的移动，最终将分散的纳米线阵列化，以纳米线阵列为掩膜刻蚀得到纳米带线阵列化。然而该方法需手动调节纳米线掩膜的方向和位置，操作繁琐且不利于大规膜的纳米带图案化的制备。
技术实现思路
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技术实现要素：
1、本发明的目的为针对当前技术技术的局限，提供一种基于纳米线掩膜打印工艺的石墨烯纳米带的制备方法。该方法由电流体动力打印、等离子刻蚀、和超声剥离技术组成，首先使用的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液在石墨烯表面形成可转移的薄膜，再通过过硫酸铵刻蚀去除石墨烯底部的铜箔，采用数码可控的纳米线技术在石墨烯表面精确打印有机聚合物纳米线作为掩膜；通过反应离子刻蚀技术精确移除未被掩膜覆盖的石墨烯，并使用超声剥离技术去除掩膜，制得具有高横纵比的一维石墨烯纳米带。本发明通过细致调整纳米线掩膜的直径、间距及刻蚀时间等关键参数，优化了石墨烯纳米带的宽度和间距分布，提升了制备质量的一致性和可控性。
2、本发明的技术方案为：
3、一种基于纳米线掩膜打印工艺的石墨烯纳米带制备方法，该方法的工艺步骤如下：
4、(1).石墨烯薄膜转移：
5、将生长有石墨烯薄膜的铜箔用异丙醇附着在玻璃片上，先后以低速旋转5-7s、高速旋转40-60s在石墨烯表面涂覆pmma溶液后，再在70-80℃下烘干，形成pmma/石墨烯/铜箔结构；接着，将pmma/石墨烯/铜箔放入过硫酸铵溶液中2-7小时刻蚀掉铜箔基底；刻蚀后，将pmma/石墨烯薄膜从刻蚀液中捞出至去离子水中清洗，清洗干净后用si/sio2衬底捞出干燥；再依次放入丙酮、混合有机溶剂和异丙醇中去除pmma；最后，在85-90℃下将石墨烯薄膜烘干，得到转移到si/sio2衬底上的石墨烯薄膜；
6、其中，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液的浓度为46-50mg/ml，每4cm2硅片涂覆250-350μl；
7、硫酸铵溶液的浓度为0.1-0.3mol/l；
8、所述的低速旋转为1200-1500rpm/min；高速旋转为3000-5000r/min；
9、混合有机溶剂的组成为丙酮和异丙醇，二者的体积比为1:1。
10、(2).电喷打印准备：利用真空吸附将带有石墨烯薄膜的衬底吸附在电流体喷印设备的基板上；将配置好的前驱体溶液加入到气密注射器中，调整针管底部距离衬底表面的间距为2-3mm，通过给针管施加一个4000-4500v的偏置电压，形成单根且稳定的纳米线射流；
11、其中，前驱体溶液的溶质为聚9-乙烯基咔唑，溶剂为苯乙烯；聚9-乙烯基咔唑的浓度为3-5wt％；
12、(3).纳米线阵列的打印：将打印基板的横向运动距离设置为160-200mm，溶液的注射速率设置为15-50nl/min，横向运动速度为50-260mm/s，纵向运动速度为0.6-2mm/s，开始打印，得到的纳米线阵列；
13、其中，纳米线的直径为300-700nm，纳米线阵列间距为50-300μm，纳米线的长度为2.0-2.5cm；
14、(4).等离子刻蚀：将纳米线阵列打印完毕的衬底放置在等离子刻蚀机中，通入刻蚀气体为氧气，气流量为80-100sccm，射频功率为30 -50w，刻蚀时间为20-40s，去除未处于纳米线保护下的石墨烯，得到聚合物/石墨烯纳米带；
15、(5)聚合物去除：将聚合物/石墨烯纳米带置入n,n-二甲基甲酰胺溶液中，通过超声处理10-20s去除掉石墨烯纳米带上的聚合物，得到附着在衬底上的石墨烯纳米带；
16、还包括衬底的预处理步骤：
17、衬底清洗：首先，将si/sio2衬底切割，并进行超声清洗；清洗过程包括在去离子水中清洗15-20分钟，然后在丙酮溶液中清洗20-30分钟，最后在异丙醇溶液中处理15-20分钟。
18、衬底处理：使用氮气枪将清洗完成的衬底表面吹干，然后将衬底放置在臭氧清洗机中处理20-30分钟，以改善衬底表面活性。
19、所述的方法制备的石墨烯纳米带的应用，用作三端结构晶体管器件的导电沟道层。
20、本发明的实质特点为：
21、传统制备石墨烯纳米带的方法通常需要进行复杂的步骤，如金属纳米粒子侵蚀中的纳米粒子沉积、碳纳米管剖开中的高精度切割和原子组装中的逐层构建等，工艺繁琐且耗时。本发明仅需电流体动力打印、等离子刻蚀和超声剥离等步骤，简化了工艺；
22、该方法通过利用可控数码纳米线打印技术，在石墨烯表面打印聚9-乙烯基咔唑纳米线掩膜，并通过反应离子刻蚀技术将未被纳米线掩膜保护的石墨烯刻蚀掉，制备得到石墨烯纳米带。在制备过程中，通过改变聚9-乙烯基咔唑纳米线掩膜的直径大小、纳米线间距以及氧等离子体刻蚀时间，实现对石墨烯纳米带宽度和间距的调控，进而调控石墨烯纳米带的电学性能。
23、本发明所采用的方法实现石墨烯纳米带的大面积、快速、低成本制备，以及石墨烯纳米带宽度和间距的精确调控，为打开石墨烯带隙，构建石墨烯纳米带基电子器件提供了基础。
24、本发明的有益效果为：
25、(1)本发明采用的数码可控纳米线打印技术，通过精确调节打印参数，例如偏置电压、打印距离、打印速度和图案参数，能够在石墨烯表面打印出具有均匀宽度和间距的一维聚合物纳米线掩膜。此技术的核心优势在于与现有石墨烯纳米带制备技术相比具有高度的可控性和灵活性，同时可根据需要自由定制纳米线的图案，为高精度纳米电子器件的制备提供了强有力的技术支持。
26、(2)本发明中使用的等离子体刻蚀技术，通过调节纳米线掩膜的直径和刻蚀时间，在保持形貌完整的同时，精确控制石墨烯纳米带的宽度和间距。从而实现对纳米带能带宽度的调节，实现了石墨烯纳米带在晶体管器件中的适用性。此外，这一技术还为其他类似纳米材料的一维结构的制造提供了新的方法和思路，推动了纳米技术及相关技术领域的发展。
27、(3)本发明在相较于光刻技术及其他纳米带制备方法在制造成本和效率方面具有明显优势。数码可控的纳米线打印技术避免了使用昂贵的掩膜板和光刻胶也可实现图案化的掩膜打印；自动化的打印过程极大降低了工艺操作的复杂程度；在2×2cm2大小的硅片上完成一次打印仅需1～10μl溶液消耗，降低了生产过程中的材料用量。实现了高精度和高效率的纳米带生产。
1.一种基于纳米线掩膜打印工艺的石墨烯纳米带制备方法，其特征为该方法的工艺步骤如下：
2.如权利要求1所述的基于纳米线掩膜打印工艺的石墨烯纳米带制备方法，其特征为步骤(1)中的衬底的预处理步骤：
3.如权利要求1所述的基于纳米线掩膜打印工艺的石墨烯纳米带制备方法，其特征为硫酸铵溶液的浓度为0.1-0.3mol/l；混合有机溶剂的组成为丙酮和异丙醇，二者的体积比为1:1。
4.如权利要求1所述的基于纳米线掩膜打印工艺的石墨烯纳米带制备方法，其特征为每4cm2硅片涂覆250-350μl。
5.如权利要求1所述的基于纳米线掩膜打印工艺的石墨烯纳米带制备方法，其特征为所述的低速旋转为1200-1500rpm/min；高速旋转为3000-5000r/min。
6.如权利要求1所述的所述的方法制备的石墨烯纳米带的应用，其特征为用作三端结构晶体管器件的导电沟道层。
