一种超滑片的加工方法

技术领域

本发明属于超滑材料领域，涉及一种超滑片的加工方法。

背景技术

“自回复”现象是具备超滑特性的石墨岛的一种超滑现象。用一根微探针推开石墨岛，并推动上片滑块在下片基底上滑动，释放探针，滑块便会在这种倾向的驱动下自发地回到初始位置，这便是石墨岛的“自回复”现象，石墨岛出现“自回复”现象的概率即自回复率可以判断石墨岛的超滑性能。

因此如何提高石墨岛的“自回复”现象的概率是提高超滑片加工的成功率的关键手段之间。现有技术中，对于石墨岛的制备，其一般是采用机械剥离的方法将高定向热解石墨(HOPG，highly oriented pyrolytic graphite)剥离获得新的石墨表面，新的石墨表面涂胶，经过激光直写、紫外曝光机、电子束曝光机等曝光后显影等光刻技术形成对应的石墨岛图形，然后再采用刻蚀工艺按照石墨岛图形，刻蚀并制备出多个单独的石墨岛。

然而，上述两种现有方法制备得到的石墨岛的超滑性能较差，因此如何提高干法蚀刻制备得到的石墨岛的超滑性能成为现有技术亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种超滑片的加工方法，所述加工方法可以有效改善石墨岛的性能，提高石墨岛的自回复率，同时大大降低其超滑接触摩擦力，使得石墨岛的超滑性能大幅度提升。

石墨岛的静摩擦力，又称为初次解理力，其是首次将石墨岛从石墨层间推开时的最小力，这个力主要构成是内部台阶断裂的力和边缘物理化学键断裂的力，后者的力远远大于前者，经过研究发现，边缘物理化学键断裂主要是由于边缘的无定型碳产生，且边缘的无定型碳是由于石墨岛的侧面在进行刻蚀时产生的，因此如何控制无定型碳的产生是优化石墨岛的超滑性能的重要问题。

为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种超滑片的加工方法，所述加工方法包括：

在石墨材料的表面图案化形成石墨岛图形；

按所述石墨岛图形刻蚀所述石墨材料，形成石墨岛；

对所述石墨岛进行加热，并通入氧化性气体，使所述石墨岛的侧壁外缘与所述氧化性气体接触；

推动所述石墨岛的上层，若上层的石墨岛自回复，则转移上层的石墨岛为超滑片。

本发明通过X射线光电子能谱技术(XPS)对石墨岛进行分析发现，通常方法制备出石墨岛的边缘富含sp

本发明中，通过对石墨岛边缘无定形碳进行去除或减薄的方式，来提高石墨岛的超滑性能。无定形碳由于缺陷密度更高，碳碳键的反应活性较高，因此相较于完美的石墨晶格结构，无定形碳更易被刻蚀掉，根据无定形碳和石墨晶格化学反应活性的差异，利用具有合适氧化能力的CO

作为本发明优选的技术方案，所述氧化性气体包括二氧化碳、水蒸气或氧气中的任意一种或至少两种的组合，优选为二氧化碳。

作为本发明优选的技术方案，所述石墨岛加热位于加热设备中，且加热设备内填充有二氧化碳。

本发明中，所述加热设备包括管式炉、马弗炉或密封干燥箱。

作为本发明优选的技术方案，所述二氧化碳气氛的压强不低于0.001MPa，如0.002MPa、0.005MPa、0.01MPa、0.02MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.12MPa、0.15MPa或0.2MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为0.1～0.11MPa，进一步优选为常压。

本发明中，二氧化碳气氛的形成方式是采用二氧化碳置换加热装置中的空气，或首先将加热装置中的空气抽至底压，再通入二氧化碳气体至所需压力等。可以先形成二氧化碳气氛再放入待处理的石墨岛，也可先将石墨岛置于加热装置中，再形成二氧化碳气氛。

作为本发明优选的技术方案，所述加热的温度为400～700℃，如450℃、500℃、550℃、600℃或650℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述加热的时间为0.5～24h，如1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h或23h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，可以通过控制二氧化碳气氛的压强、加热的温度和时间等条件，以达到对石墨岛边缘无定形碳的减薄程度进行控制的目的，进而获得不同超滑性能的石墨岛。

作为本发明优选的技术方案，所述方法包括：将采用干法蚀刻工艺制备得到的石墨岛置于内部为二氧化碳气氛的加热设备中，所述二氧化碳气氛的压强不低于0.1MPa；于400～700℃使用二氧化碳对所述石墨岛进行处理0.5～24h。

作为本发明优选的技术方案，所述石墨材料包括机械剥离的高定向热解石墨和石墨烯生长工艺加工的大面积单晶石墨材料。

本发明中，石墨岛的材质优选为HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite，高定向热解石墨)，其是一种新型高纯度碳材料，是热解石墨经高温高压处理后制备的一种新型碳材料，其性能接近单晶石墨，其表面及内部都是较完美的石墨晶格而没有无定形碳。石墨岛边缘的无定形碳一方面来自后续从上而下的等离子体蚀刻或反应离子刻蚀，导致石墨岛的侧壁完美的石墨晶格被破坏，另一方面干法刻蚀对石墨底部刻蚀过程中也会溅射到侧壁上一定量的无定形碳，这些无定形碳主要是氧等离子体的物理轰击和化学反应刻蚀导致产生，与传统石墨烯或碳纳米管制备过程中表面形成的无定形碳不同。

作为本发明优选的技术方案，所述石墨岛采用干法蚀刻lift-off工艺制备得到。

作为本发明优选的技术方案，在所述lift-off工艺中，光刻胶包括下层胶和上层胶，所述下层胶与所述石墨材料粘接，图案化后的所述上层胶的长度大于所述下层胶的长度。

本发明中，所述lift-off工艺包括依次进行的整平-涂覆光刻胶-图案化-溅射/蒸镀金属层-剥离光刻胶-蚀刻，但并不仅限于上述工艺，可以根据具体制备的需求对其中的工艺步骤进行调整。同时，上述工艺的参数可根据制备需求进行具体选择，在此不做具体限定。

本发明中，采用lift-off工艺进行石墨岛的制备，相比于传统金属蚀刻工艺，由于光刻胶图案化后，金属层可直接制备于图案化后暴露出的石墨材料表面，故对光刻胶剥离后即可形成所需的金属掩膜结构，减少了传统工艺中进行IBE蚀刻对金属膜进行图案化的步骤，降低了石墨岛的制造成本，同时缩短了石墨岛的制备时间。采用lift-off工艺，其最终亦会于金属掩膜存在下进行蚀刻以取得目标尺寸的石墨岛，而在蚀刻过程中，自上而下的刻蚀，导致石墨岛的侧壁完美的石墨晶格被破坏，从而形成无定形碳，导致石墨岛的超滑性能下降。因此，本发明在lift-off工艺加工得到石墨岛后，使用氧化性气体对所得石墨岛进行处理，以减薄甚至去除石墨岛边缘形成的无定形碳，从而提高石墨岛的超滑性能。

本发明中，lift-off工艺中的光刻胶包括依次连接的下层胶和上层胶，下层胶与石墨材料粘接，下层胶可以设置为不含光敏的剥离胶，上层胶可以设置为光敏胶，利用上层胶的光刻胶经曝光显影后开出窗口，显影液进入光刻胶结构内部，底层胶在显影液中继续腐蚀，并产生横向拓展，形成底切结构，即图案化后的所述上层胶的长度大于所述下层胶的长度。因此双层胶结构相比于单层胶结构更有利于在图案化过程中形成lift-off工艺所需的底切结构。但是在图案化过程中，需要使用显影液对光刻胶进行腐蚀，由于显影过程中需要将图案化部分的光刻胶完全去除，则显影液必然会与石墨表面进行接触，而化学腐蚀亦会导致石墨岛表面形成无定形碳。故更加体现了本发明中使用氧化性气体对所得石墨岛进行处理的作用。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种超滑片的加工方法，所述加工方法可以有效改善石墨岛的性能，提高石墨岛的自回复率，同时大大降低其超滑接触摩擦力和初次解理力，使得石墨岛的超滑性能大幅度提升；

(2)本发明提供一种超滑片的加工方法，所述加工方法操作简便、成本低，可批量处理，适合工业化应用。

附图说明

图1为本发明实施例4处理后的石墨岛的静摩擦力测试示意图；

图2为本发明实施例4处理后的石墨岛的透射电镜测试图；

图3为本发明实施例5处理后的石墨岛的透射电镜测试图；

图4为本发明具体实施方式中lift-off工艺的加工流程示意图。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

本实施例提供一种超滑片的加工方法，所述方法包括：

对石墨材料的表面进行整平处理，旋涂光刻胶，所述光刻胶包括下层胶以及上层胶，所述下层胶与石墨材料粘接，使用显影液对所述光刻胶进行图案化形成石墨岛图形；

按所述石墨岛图形溅射制备金属层，剥离光刻胶后进行ICP刻蚀，形成石墨岛；

将石墨岛样品放置于管式炉中，将管式炉抽真空至底压，将二氧化碳气体通入上述设备中，保持体系内压强为1000pa，升温至500℃，在此温度加热反应3h，关闭加热，降至常温，关闭二氧化碳，取出样品；

推动所述石墨岛的上层，若上层的石墨岛自回复，则转移上层的石墨岛为超滑片。

实施例2

本实施例提供一种超滑片的加工方法，所述加工方法与实施例1的加工方法相同，区别仅在于：

将石墨岛样品放置于管式炉中，将管式炉抽真空至底压，将二氧化碳气体通入上述设备中至常压(0.101MPa)，升温至500℃，在此温度加热反应3h，关闭加热，降至常温，关闭二氧化碳，取出样品。

实施例3

本实施例提供一种超滑片的加工方法，所述加工方法与实施例1的加工方法相同，区别仅在于：

将石墨岛样品放置于管式炉中，将管式炉抽真空至底压，将二氧化碳气体通入上述设备中至常压(0.101MPa)，升温至550℃，在此温度加热反应3h，关闭加热，降至常温，关闭二氧化碳，取出样品。

实施例4

本实施例提供一种超滑片的加工方法，所述加工方法与实施例1的加工方法相同，区别仅在于：

将石墨岛样品放置于管式炉中，将管式炉抽真空至底压，将二氧化碳气体通入上述设备中至常压(0.101MPa)，升温至550℃，在此温度加热反应6h，关闭加热，降至常温，关闭二氧化碳，取出样品。

实施例5

本实施例提供一种超滑片的加工方法，所述加工方法与实施例1的加工方法相同，区别仅在于：

将石墨岛样品放置于管式炉中，将管式炉抽真空至底压，将二氧化碳气体通入上述设备中至常压(0.101MPa)，升温至550℃，在此温度加热反应13h，关闭加热，降至常温，关闭二氧化碳，取出样品。

本实施例除了加热时间为24h外，其余条件均与实施例5相同。

实施例1-5使用的石墨材料为HOPG。

对比例1

本对比例中的石墨岛为未经过二氧化碳处理，但其制备方法与实施例1-5相同。其超滑性能不及CO

对比例2

本对比例除了将HOPG替换为普通石墨外，其余条件均与实施例5相同。采用普通石墨的石墨岛样品不具备超滑性能，其不能自回复。

对比例3

本对比例除了将CO

无定形碳层的厚度的采用TEM进行表征，分别对CO

超滑接触的滑动摩擦力和静摩擦力的测试方法为采用NT-AFM(俄罗斯NT-MDT生产)仪器，使用针尖压在一定尺寸的石墨岛上(如6μm*6μm)，施加一定的正压力拖动石墨岛在石墨层间滑动，滑动范围1μm，滑动频率1Hz，测试CO

自回复率的测试方法为采用自制的转岛设备，使用针尖压在一定的石墨岛上(如8μm*8μm)施加一定的正压力拖动石墨岛位移一定距离(例如2μm)后释放正压力，石墨岛会恢复到原来的位置，此现象称谓自回复现象，石墨岛有一定的概率产生自回复现象，测试20个样品以上，计算可以自回复的样品个数，即可获得样品的自回复率。

对实施例1-5以及对比例1-3处理后的石墨岛的边缘无定形碳层的厚度、超滑接触摩擦力以及自回复率进行测试，结果显示在一定压强、温度、时间CO

图1中的静摩擦力(即初次解理力)测试结果显示，按照实施案例4针对6μm*6μm大小的石墨岛，处理后的静摩擦力0.123μN仅为处理前1.53μN的不足十二分之一，即降低92.0％，静摩擦力大幅降低。而处理后石墨岛层间的滑动摩擦力0.0637μN变为处理前0.213μN的不足三分之一，降低约70.00％，滑动摩擦力大大降低。

图2中对比透射电镜的表征结果，按照实施案例4，石墨岛边缘无定形碳的厚度由未处理的22nm经此实施案例处理后降低为7nm，其实施案例的无定形碳刻蚀速率约为2.5nm/小时。实施案例4为部分去除无定形碳。

针对石墨岛的自回复测试，对相同样品相近位置CO

图3中对比透射电镜的表征结果，按照此实施案例5，石墨岛边缘无定形碳的厚度由未处理的22nm经此实施案例处理后降低为0nm。实施案例5为完全去除无定形碳。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。