透過化學氣相沉積法(CVD),很容易就能在銅箔上生長石墨烯,但是,工程師們卻一直苦於找不到簡單的方式蝕刻所需的電路圖案並將其轉移至非金屬基板。如今,伊利諾大學香檳分校(University of Illinois, Urbana-Champaign)的研究人員據稱找到一種單步驟的室溫製程,能以簡單的遮光罩(shadow mask)快速為石墨烯電路製圖,並將其轉移至軟性基板上。

多年來,工程師已經知道石墨烯十分易於以CVD在銅箔上沈積形成,然而,研究人員指出,他們仍得耗費許多時間在矽基板上生長石墨烯,才能用傳統技術為電路製圖。

20160509 Graphene NT01P1 以無聚合物單步驟製程在軟性基板上製造圖案化石墨烯的示意圖 (來源:伊利諾伊大學香檳分校)

這種室溫方法取代了在銅箔上生長石墨烯的方法,改以其所宣稱的單步驟(one-step)製程蝕刻與轉移石墨烯電路至幾乎各種基板上,甚至包括未來的軟性聚合物基板。其訣竅在於切出電路圖案至一種更簡單的遮光罩上。

「研究人員先以電腦輔助設計(CAD)軟體設計出所需的微型圖案,讓商用雷射切割機連接至電腦相應地製造出遮光罩,」伊利諾伊大學香檳分校博士候選人Keong Yong表示,「這些快速的設計反覆週期與複製圖案,則由快速運轉的雷射切割器進行製造,並為低成本聚合物與金屬片製圖。」Keong Yong目前是在該校教授SungWoo Nam主導的研究團隊進行這項研究。

一旦切割完成,遮光罩被放置在以CVD沈積石墨䤭的銅箔上,然後用氧等離子進行蝕刻。接著再用層壓製程將圖案化的石墨烯移植到軟性基板上,以確保共形接觸,以便蝕刻掉銅箔。

「由於這種途徑易於實現,讓我們的方法不需要複雜的傳統微製造製程以及聚合物支架,大幅減少整體製造步驟與時間。」Yong說:「更重要的是,我們所採用的無聚合物途徑還帶來了更潔淨的石墨烯。」

目前,以這種方法製造石墨烯晶片時,並沒有尺寸上的限制,但仍受限於遮光罩的蝕刻精密度。為了實現完整的矽處理,這種遮光罩製程還有很長的路要走,它被限制在今日的微米級電路,而非奈米級範圍。

20160509 Graphene NT01P2 具有先進微米級特性的各種模板光罩(上排),以及移植至軟性Kapton薄膜的相應石墨烯陣列圖案(下排) (來源:伊利諾伊大學香檳分校)

「我們已可證明這種簡單途徑的能力了,它可實現具有不同尺寸的各種石墨烯陣列圖案,包括低至50微米的線條、字母與圓形等,」Yong表示。

Yong表示,接下來,研究人員的目標在於縮小其遮光罩,以便打真正的元件,從而證實石墨烯的工作電路的確能在花幾千美元配備的實驗室中製造,而不需要使用目前造價數十億美元的設備。

為這項研究帶來貢獻者還包括博士後研究員Pilgyu Kang以及畢業後目前任職於英特爾的Ali Ashraf。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Graphene Patterned at Room Temp,by R. Colin Johnson)