一種在電極表面快速生長圖形化石墨烯的方法與流程

2023-11-01 19:55:41 1

本發明涉及一種在電極表面快速生長圖形化石墨烯的方法。

背景技術：

在當前顯示技術領域，液晶顯示（Liquid Crystal Display, LCD）與有機發光二極體（Organic Light Emitting Diode, OLED）顯示已廣泛應用於平板電視、智慧型手機、數位相機、計算機屏幕等等，而量子點發光二極體作為新的顯示技術，近年來取得巨大發展，也逐漸受到普遍關注，其相應產品如量子點電視也已面世。

無論是LCD、OLED或者是QLED，作為其顯示驅動電路重要的核心元件，薄膜電晶體（Thin Film Transistor, TFT）構成的陣列基板通常是必不可少的重要組成部分。例如在LCD中，通過TFT控制液晶層中液晶分子的旋轉，進而控制背光模組的出射光線產生畫面；而在OLED/QLED中，每個像素點由一個TFT獨立控制開啟與關閉，進而實現對各個像素點發光的控制，產生畫面。隨著半導體顯示技術的不斷發展，新型顯示技術對TFT陣列基板上電極的導電性能的要求越來越高。當前TFT器件常選用導電率較高的金屬材料（比如銅、銀等）作為電極（電極）材料。而對於現有的製備工藝，電極經常會被裸露著參與後續的工藝流程，而後續的高溼高溫的製備條件極易引起金屬電極材料的氧化，進而形成不導電的氧化層，影響整個TFT器件的電學性能。此外，近年來微小化及圖形化也逐漸成為新型顯示器件的一個發展趨勢，雖然傳統的光刻方式可以實現圖形化，但後期處理中需使用化學試劑可能會影響其性能，而且其處理工序也較為繁瑣，所能達到的微細程度僅在百微米量級。

石墨烯作為由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀結構，具有優異的電學、光學、熱學、力學等特性。除了剝離、剪裁、化學氧化還原、化學氣相沉積等的製備方法之外，已有相關文獻報導，利用雷射用於石墨烯的製備研究中。利用雷射作為精密可控的高能量密度熱源，以含碳化合物為原料，可在金屬表面生成均勻緻密的石墨烯層。由於石墨烯具有出色的水氣隔絕特性，因此此法可用於阻隔電極與氧氣和水的接觸，降低金屬電極被氧化而影響器件性能的問題。而且，利用雷射的處理方式，可實現快速簡便地可圖案化製備，其微細程度能達到十微米甚至亞微米量級。因此基於雷射處理的方式發明一種在電極表面快速生長圖形化石墨烯的方法具有重要意義和廣闊應用前景。

技術實現要素：

鑑於現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種在電極表面快速生長圖形化石墨烯的方法，不僅結構設計合理，而且高效便捷。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種在電極表面快速生長圖形化石墨烯的方法，其特徵在於，包括以下步驟：

（1）提供一具有電極的基板，所述電極由金屬材料構成；

（2）將所述基板置於碳源的環境下，利用雷射照射所述電極的表面，被照射處原位生長出石墨烯膜層。

優選的，所述碳源採用氣態碳源，被照射處產生局域高溫，並在所述電極中含有的金屬材料的催化作用下，所述氣態碳源迅速分解，形成自由原子，並聚集在基板表面成核結晶形成石墨烯；移開雷射或停止輻照，局域溫度的迅速冷卻促使所轉換的石墨烯沉積於被照射處形成薄膜。

優選的，所述氣態碳源為甲烷、乙烯以及乙炔中的任意一種或其混合氣體，所述氣態碳源的分壓為1 Torr~1000 Torr。

優選的，所述碳源採用固態碳源，將固態碳源分散到有機溶液中得到分散液，將所述分散液塗布於電極的表面，得到均勻的碳源層；在惰性氣體保護下，用雷射照射所述碳源層，所述碳源層的碳原子和所述電極中的金屬原子在雷射照射的作用下形成固溶體；移開雷射或停止雷射輻照，所述固溶體冷卻時形成過飽和的固溶體，碳原子從所述過飽和固溶體中析出，在電極的表面形成石墨烯薄膜。

優選的，所述固態碳源為石墨、無定形碳、C60或碳納米管，所述碳源層的厚度為0.01 mm ~0.5mm。

優選的，所述有機溶劑為酒精或丙酮。

優選的，所述惰性氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣以及氙氣中的任意一種或其混合氣體。

優選的，所述金屬材料為鎳、銀、鈦、釩、鐵、鋁、鋅、錫、銅、金以及鉑中的任意一種或其合金。

優選的，所述雷射為連續雷射或脈衝雷射，其波長處於可見光、紅外光或紫外光波段，其功率密度為103~106W/cm2，其掃描速度5um/s~5000um/s。

優選的，所述電極的厚度為50nm~5um。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

（1）本發明以電極中的金屬材料作為催化劑，並利用雷射的高能量在催化劑表面附近產生局域高溫，使得提供的碳源在具有局域高溫的金屬催化劑表面快速分解，分解出的碳原子在局域快速升溫及快速降溫過程中在電極表面成核結晶形成石墨烯薄膜；

（2）本發明採用雷射處理的方式具有快速升溫和快速降溫的特點，通過控制雷射的掃描速度影響升降溫的速度，並同時通過控制雷射的能量密度及碳源的量，可實現石墨烯薄膜生長的精密控制，配合雷射光束的掃描運動，還可實現快速而精細的圖形化結構；

（3）本發明由於有生成的石墨烯在表面的包覆保護作用，電極被氧化的風險大大降低，並且石墨烯良好的導電性能也將有助於整個器件性能的提升，一方面降低了金屬電極被氧化的風險，另一方面利用雷射輻照的方法產生的局域高溫僅處於誘導出石墨烯生長的電極表面，可以最大限度地不破壞薄膜電晶體的結構，並且石墨烯良好的導電性能也將有助於整個器件性能的提升。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

附圖說明

圖1為本發明實施例一中基於氣態碳源在柵極表面快速生長圖形化石墨烯的示意圖。

圖2為本發明實施例二中基於固態碳源在源極與漏極表面快速生長圖形化石墨烯的示意圖。

圖中：1-柵極，2-基板，3-真空反應腔，4-氣態碳源，5-雷射，6-石墨烯薄膜，7-源極，8-漏極，9-柵極絕緣層，10-半導體層，11-碳源層，12-惰性氣體。

具體實施方式

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。

如圖1~2所示，一種在電極表面快速生長圖形化石墨烯的方法，其特徵在於，包括以下步驟：

（1）提供一具有電極的基板2，所述電極由金屬材料構成；

（2）將所述基板2置於碳源的環境下，利用雷射5照射所述電極的表面，被照射處原位生長出石墨烯膜層。

在本發明實施例中，所述碳源採用氣態碳源4，被照射處產生局域高溫，並在所述電極中含有的金屬材料的催化作用下，所述氣態碳源4迅速分解，形成自由原子，並聚集在基板2表面成核結晶形成石墨烯；移開雷射5或停止輻照，局域溫度的迅速冷卻促使所轉換的石墨烯沉積於被照射處形成薄膜。

在本發明實施例中，所述氣態碳源4為甲烷、乙烯以及乙炔中的任意一種或其混合氣體，所述氣態碳源4的分壓為1 Torr~1000 Torr。

在本發明實施例中，所述碳源採用固態碳源，將固態碳源分散到有機溶液中得到分散液，將所述分散液塗布於電極的表面，得到均勻的碳源層11；在惰性氣體12保護下，用雷射5照射所述碳源層11，所述碳源層11的碳原子和所述電極中的金屬原子在雷射5照射的作用下形成固溶體；移開雷射5或停止雷射5輻照，所述固溶體冷卻時形成過飽和的固溶體，碳原子從所述過飽和固溶體中析出，在電極的表面形成石墨烯薄膜6。

在本發明實施例中，所述固態碳源為石墨、無定形碳、C60或碳納米管，所述碳源層11的厚度為0.01 mm ~0.5mm。

在本發明實施例中，所述有機溶劑為酒精或丙酮。

在本發明實施例中，所述惰性氣體12為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣以及氙氣中的任意一種或其混合氣體。

在本發明實施例中，所述金屬材料為鎳、銀、鈦、釩、鐵、鋁、鋅、錫、銅、金以及鉑中的任意一種或其合金。

在本發明實施例中，所述雷射5為連續雷射或脈衝雷射，其波長處於可見光、紅外光或紫外光波段，其功率密度為103~106W/cm2，其掃描速度5um/s~5000um/s。

在本發明實施例中，所述電極的厚度為50nm~5um。

在本發明實施例一中，所述碳源採用氣態碳源4，電極為柵極1；石墨烯製備過程如圖1所示，包括如下步驟：

（1）：提供一具有柵極1的基板2，所述柵極1中由金屬材料構成，所述柵極1設置在基板2之上；

優選的，所述金屬材料為鎳、銀、鈦、釩、鐵、鋁、鋅、錫、銅、金或鉑中的任意一種或其合金，柵極1的厚度為50nm~5um；

（2）：提供一具有透明窗口的真空反應腔3，將所述具有柵極1的基板2置於真空反應腔3內，基板2表面正對透明窗口，隨後通入氣態碳源4，使其充滿整個真空反應腔3，保持真空反應腔3內的整體壓強在1 Torr~100 Torr；

優選的，所述氣態碳源4為甲烷、乙烯或乙炔等中的任意一種或其混合氣體；

（3）：提供一高功率密度雷射5，透過真空反應腔3的透明窗口直接照射所述柵極1表面，被照射處產生局域高溫，並在所述金屬材料的催化作用下，所述氣態碳源4迅速轉換為石墨烯薄膜6沉積於被照射處；

優選的，所述高功率密度雷射5為連續雷射或脈衝雷射，其波長處於可見光、紅外光或紫外光波段，功率密度為103~106W/cm2，掃描速度5um/s~5000um/s；

優選的，高功率密度雷射5經聚焦或離焦進行照射時，並配合雷射5的掃描運動，可得到預定的圖案化的石墨烯層。

在本發明實施例二中，所述碳源採用固態碳源，電極為源極7與漏極8；石墨烯製備過程如圖2所示，包括如下步驟：

（1）：提供一具有源極7與漏極8的基板2，所述源極7與漏極8中含有金屬材料，所述基板2上設置有柵極1，所述柵極1上設置有覆蓋柵極1的柵極絕緣層9，所述柵極絕緣層9上設置有半導體層10，所述半導體層10上設置有源極7與漏極8；

（2）：提供固態碳源及有機溶液，將所述固態碳源分散到有機溶液中得到分散液，將所述分散液塗布於所述源極7與漏極8的表面，得到均勻的碳源層11；

優選的，所述固態碳源為石墨、無定形碳、C60或碳納米管等含碳物，所述有機溶劑為酒精、丙酮或甲苯等；

優選的，所述步驟（2）中的塗布方式包括旋塗，刮塗或噴塗等塗布方式；

（3）提供一具有透明窗口的真空反應腔3，將所述具有源極7與漏極8的基板2置於真空反應腔3內，基板2表面正對透明窗口，隨後通入惰性氣體12，使其充滿整個真空反應腔3，保持反應腔內的整體壓強在1 Torr~100 Torr；

優選的，所述惰性氣體12為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣等中的任意一種或其混合氣體；

（4）：提供一高功率密度雷射5，在所述惰性氣體12保護下，高功率密度雷射5照射所述碳源層11，所述固態碳源中的碳原子和所述源極7與漏極8中的金屬原子在照射的作用下形成固溶體；移開雷射5或停止輻照，所述固溶體冷卻時形成過飽和的固溶體，碳原子從所述過飽和固溶體中析出，在源極7與漏極8表面表面形成石墨烯薄膜6。

優選的，所述高功率密度雷射5為連續雷射或脈衝雷射，其波長處於可見光、紅外光或紫外光波段，功率密度為103~106W/cm2，掃描速度5um/s~5000um/s。

優選的，所述高功率密度雷射5經聚焦或離焦進行照射時，並配合雷射5的掃描運動，可得到預定的圖案化的石墨烯層。

本發明不局限於上述最佳實施方式，任何人在本發明的啟示下都可以得出其他各種形式的在電極表面快速生長圖形化石墨烯的方法。凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。