本發(fā)明涉及一種離子注入輔助的超薄膜材料剝離方法。它借助可精確控制注入深度的離子注入和熱誘導(dǎo)原子擴散，從體材料或厚度較厚的層狀材料中剝離超薄膜，厚度精度最高可達原子級，屬于超薄材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

納米級薄膜材料由于其超薄的厚度，展現(xiàn)出了一些新奇的物理特性，正在逐漸成為材料科學(xué)研究的一個熱門方向。然而，如何高效制備包含二維材料在內(nèi)的超薄膜材料卻一直是一個難題。

當(dāng)前，薄膜制備的常用的方法是磁控濺射，這種方法對材料的性質(zhì)和設(shè)備真空度有著很高的要求；并且由于在這個過程中，原子從靶材上被轟擊出來再沉積到襯底上，導(dǎo)致材料本身的晶格結(jié)構(gòu)受到了破壞，新形成的晶格結(jié)構(gòu)和表面形貌都嚴重受到襯底材料的影響。

層狀材料一般以層疊的形式存在于塊狀材料中，要從塊狀材料或厚度較厚的層狀材料中剝離層狀材料就要克服層間的分子間作用力。常用的層狀材料剝離方法是使用黏性膠帶反復(fù)黏附減薄，這種方法可以快速得到原子級厚度的二維材料，但其只適用于實驗級的小規(guī)模制備，并且由于膠帶黏除材料厚度的隨機性，這種方法的可重復(fù)性很低。常見制備方式還包括在溶液中超聲處理，然而這種方法單純依賴溶劑液體緩沖來降低剝離層的能量，所得層狀材料厚度及形貌的可重復(fù)性不高。除此之外，單原子層二維材料制備還可以采用等離子體刻蝕解構(gòu)納米管結(jié)構(gòu)的方式，但由于這種方式不兼容于液相制備，無法進行二維材料大規(guī)模生產(chǎn)。

在材料科學(xué)中，離子注入技術(shù)是一種常用的調(diào)節(jié)晶格結(jié)構(gòu)的方法。使用高能離子束轟擊固體材料，可以將特定種類的摻雜元素注入到材料當(dāng)中。通過調(diào)節(jié)離子能量、離子劑量和入射角度等方式，可以實現(xiàn)晶格結(jié)構(gòu)的精準調(diào)節(jié)。離子注入常與加熱處理配合進行，在離子注入之后進行加熱處理，可以加速注入原子在晶格中的擴散。借助離子注入與熱誘導(dǎo)原子擴散，可以有效輔助超薄膜從體材料中的剝離，得到原子級厚度精度的超薄膜材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

為了實現(xiàn)原子級厚度的超薄膜材料從體材料或厚度較厚的層狀材料中的剝離，本發(fā)明公開了一種離子注入輔助的超薄膜材料剝離方法。借助可精確控制注入深度的離子注入及熱誘導(dǎo)原子擴散，在材料一定深度范圍內(nèi)增大原子間距，減弱注入層兩邊材料的連接強度，從體材料中剝離出薄膜材料。

(二)技術(shù)方案

為了達到上述目的，本發(fā)明公開了一種離子注入輔助的超薄膜材料剝離方法。

在離子注入中，當(dāng)所采用的離子劑量、離子能量和入射角度等參數(shù)一定時，所注入的離子會集中在材料表面以下一定深度的范圍內(nèi)。參考圖2，摻雜濃度C(x)與注入深度x的關(guān)系是一個近似于高斯分布的單峰值函數(shù)，其中C_p為摻雜濃度峰值，R_p為注入深度，ΔR_p為深度標(biāo)準偏差。通過調(diào)節(jié)離子能量和入射角度，可以改變曲線形狀、調(diào)節(jié)注入深度與離子分布范圍的大?。煌ㄟ^調(diào)節(jié)注入離子劑量，可以改變曲線高度、調(diào)節(jié)注入濃度。因此，在離子注入的過程中，通過調(diào)節(jié)離子能量、入射角度和注入劑量等參數(shù)，可以精確控制離子注入的濃度和深度范圍。

一種離子注入輔助的超薄膜材料剝離方法，實施步驟如下：

步驟一：參考圖3，采用一定的參數(shù)對體材料或厚度較厚的層狀材料(以下簡稱材料)表面進行離子注入，調(diào)節(jié)離子注入?yún)?shù)，使摻雜原子集中在材料內(nèi)部一定的深度范圍內(nèi)，所述深度為0.1nm～10mm。參考圖4，為離子注入后材料內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)示意圖。所述離子注入?yún)?shù)為：

1、注入離子束與材料表面法線方向的夾角θ，其調(diào)節(jié)范圍為0度～90度；

2、注入離子的能量，其調(diào)節(jié)范圍為1eV～1000keV；

3、注入離子的劑量，其調(diào)節(jié)范圍為10¹²cm^-2～10¹⁸cm^-2。

步驟二：參考圖5，受選用材料的晶格結(jié)構(gòu)以及離子注入深度的影響，若薄膜材料在剝離過程中會出現(xiàn)破損，則進行以下步驟，否則進入步驟三：

在材料待剝離表面加蓋襯底作為加固層。對材料的注入表面和襯底進行活化處理，在升溫、加壓的條件下誘導(dǎo)材料注入表面與襯底鍵合。

步驟三：對上一步驟得到的樣品進行加熱處理，誘導(dǎo)固體晶格中的原子擴散。參考圖6，摻雜原子的擴散會進一步改變注入層內(nèi)晶格結(jié)構(gòu)，擴大注入?yún)^(qū)域材料內(nèi)原子間的距離，降低摻雜區(qū)原子的連接鍵能，致使材料從注入層發(fā)生剝離。所述加熱處理采用的加熱溫度為100℃～1500℃，加熱時間為0h～2h。

其中，所述的襯底為可以和待剝離的材料進行晶格匹配進而鍵合的硅片、金屬、氧化物。

其中，所述的離子注入所采用的元素種類為：氦、氖、氬、鎵、硼、磷、砷、銻、銦。

其中，所制備的超薄膜材料為二維層狀材料或不具有層狀結(jié)構(gòu)的薄膜材料。

其中，所得到的超薄膜材料厚度為0.1nm～10mm。

(三)有益效果

一種離子注入輔助的超薄膜材料剝離方法，跟傳統(tǒng)層狀材料剝離方式相比，具有以下優(yōu)點：

1、通過調(diào)節(jié)離子能量、離子種類和入射角度，精準控制離子注入深度，可實現(xiàn)原子級尺度的超薄膜材料剝離；

2、采用離子注入輔助的方式制備得到的薄膜在較大的范圍內(nèi)均勻性較強，可較好地保持薄膜材料的厚度均勻性、表面形貌。

3、薄膜制備不包含材料原子重構(gòu)的過程，可以較好地保持材料的晶格結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種離子注入輔助的超薄膜材料剝離方法流程圖。

圖2為離子注入中摻雜濃度與注入深度的函數(shù)曲線示意圖。

圖3為高能離子束注入體材料或厚度較厚的層狀材料示意圖。

圖4為離子注入后材料內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為材料與襯底鍵合示意圖。

圖6為加熱處理導(dǎo)致超薄膜剝離示意圖。

301 為體材料或厚度較厚的層狀材料

302 為入射離子束

401 為材料未受到離子注入?yún)^(qū)域

402 為離子注入層

403 為被剝離層

501 為襯底

601 為剝離面

C_p 為摻雜濃度峰值

R_p 為注入深度

ΔR_p 為深度標(biāo)準偏差

具體實施方式

下面參照附圖，進一步說明本發(fā)明的實質(zhì)性特點。附圖為示意和流程圖。其中涉及的各功能層和區(qū)域大小非實際尺寸。在此公開的實施例，其特定的結(jié)構(gòu)細節(jié)和功能細節(jié)僅是描述特定實施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本發(fā)明，且本發(fā)明不應(yīng)該被理解為僅僅局限于在此提出的示例實施例，而是應(yīng)該覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變化、等價物和可替換物。另外，將不會詳細描述或?qū)⑹÷员景l(fā)明采用的眾所周知的儀器、材料，以免混淆本發(fā)明的實施例的相關(guān)細節(jié)。

本發(fā)明一種離子注入輔助的超薄膜材料剝離方法，具體步驟如下：

步驟一：參考圖3，選用表面經(jīng)過平面拋光的體材料或厚度較厚的層狀材料301，對拋光表面或與層狀結(jié)構(gòu)層疊方向平行的表面，采用一定參數(shù)的入射離子束302進行離子注入，根據(jù)對所得超薄膜材料的厚度要求，調(diào)節(jié)離子束的能量與入射離子束與材料表面法線方向的夾角θ，控制入射離子在材料中的注入深度。所述離子注入?yún)?shù)為：

1、注入離子束與材料表面法線方向的夾角θ，其調(diào)節(jié)范圍為0度～90度；

2、注入離子的能量，其調(diào)節(jié)范圍為1eV～1000keV；

3、注入離子的劑量，其調(diào)節(jié)范圍為10¹²cm^-2～10¹⁸cm^-2。

參考圖4，402為離子注入層，其深度為0.1nm～10mm。403為被剝離層，401為材料未受到離子注入?yún)^(qū)域。其中，所述的離子注入所采用的元素種類為：氦、氖、氬、鎵、硼、磷、砷、銻、銦。

步驟二：參考圖5，受選用材料的晶格結(jié)構(gòu)以及離子注入深度的影響，若薄膜材料在剝離過程中會出現(xiàn)破損，則進行以下步驟，否則進入步驟三：

在材料待剝離表面加蓋硅片襯底501作為加固層。對材料的注入表面和襯底進行活化處理，在升溫、加壓的條件下誘導(dǎo)材料注入表面與襯底鍵合。

其中所述的襯底可以為和待剝離的材料進行晶格匹配進而鍵合的硅片、金屬、氧化物。

步驟三：參考圖6，對材料進行加熱處理，加熱溫度為100℃～1500℃，0h～2h。對于多數(shù)材料，能夠使固體晶格中摻雜原子的平均能量跨越勢壘的溫度在固體熔點以下，所以可以采用加熱的方法誘導(dǎo)摻雜原子在固體晶格中進行原子擴散。摻雜原子的擴散會進一步改變注入層內(nèi)晶格結(jié)構(gòu)，擴大注入?yún)^(qū)域材料內(nèi)原子間的距離，降低摻雜區(qū)原子的連接鍵能，致使體材料或厚度較厚的層狀材料從601剝離面處發(fā)生剝離，得到附著在襯底表面的超薄膜材料。

其中，所制備的超薄膜材料為二維層狀材料或不具有層狀結(jié)構(gòu)的薄膜材料。所得到的超薄膜材料厚度為0.1nm～10mm。

實施例1：離子注入輔助剝離1～10層石墨烯原子層。

步驟一：采用厚度較厚的石墨烯材料301，選取與其內(nèi)部原子層排布方向平行的材料表面進行離子注入302。

其中，注入離子束與材料表面法線方向的夾角為5～30°；

其中，注入離子為氦離子；

其中，注入離子能量為1～2000eV；

其中，注入離子劑量為1012cm-2～1015cm-2；

步驟二：在材料待剝離表面加蓋襯底501作為加固層。對材料的注入表面和襯底進行活化處理，在升溫、加壓的條件下誘導(dǎo)材料注入表面與襯底鍵合。

其中，襯底為拋光硅片；

其中，升溫溫度為100～500℃，時間為0-2h；

步驟三：對鍵合后的硅片襯底與石墨烯進行加熱處理，誘導(dǎo)離子注入層402發(fā)生分離。

其中，加熱溫度為200～800℃，時間為10min～1.5h。