Селективный синтез многослойного графена с использованием резистивного нанонагревательного зонда

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7976 (2023) Цитировать эту статью

299 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Графен представляет интерес благодаря своим универсальным свойствам и широкому спектру применений. Однако производство было одним из самых сложных аспектов графена и многослойного графена (MLG). Большинство методов синтеза требуют повышенных температур и дополнительных шагов для переноса графена или МЛГ на подложку, что ставит под угрозу целостность пленки. В этой статье исследуется индуцированная металлом кристаллизация для локального синтеза МЛГ непосредственно на металлических пленках, создания композита МЛГ-металл и непосредственно на изолирующих подложках с помощью движущегося резистивного зонда нанонагревателя в гораздо более низких температурных условиях (~ 250 ° C). Рамановская спектроскопия показывает, что полученная углеродная структура обладает свойствами МЛГ. Представленный подход на основе наконечников предлагает гораздо более простое решение для изготовления MLG за счет исключения этапов фотолитографии и переноса MLG.

Графен стал одним из наиболее многообещающих материалов посткремниевой эры1. Самый простой метод получения графена — это эксфолиация, которая включает в себя отделение слоев углерода от графита до получения монослоя или нескольких слоев1. Однако техника отшелушивания требует очень много времени. Другой распространенный метод — химическое осаждение из паровой фазы (CVD), используемый для синтеза графена, который позволяет создавать слои графена большой площади2,3, но выполняется при высоких температурах (> 950 °C). Кроме того, требуется механический перенос графена на другие поверхности для дальнейшей обработки. Эти дополнительные шаги приводят к появлению примесей, дефектов, разрывов и морщин, резко ухудшая свойства графена4,5,6,7. Таким образом, низкотемпературный синтез графена без переноса очень желателен для промышленных применений на больших площадях, особенно для сохранения механической целостности интерметаллических диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью, обычно используемых в производстве интегральных схем (ИС)8,9,10.

Многослойный графен (MLG) является отличным вариантом для проводов и электродов в приложениях, требующих высокой электро/теплопроводности. Синтез графена с контролируемым количеством слоев стал возможен за счет регулирования толщины напыленного слоя аморфного углерода и индуцирования металл-катализируемой кристаллизации при 650–950°С11. При нагревании атомы углерода диффундируют в металл и осаждаются на поверхности при охлаждении11. Сообщалось также, что MLG образуется на границе раздела между металлом и подложкой при 800°C12. Этот обмен между металлическим катализатором и материалом группы IV известен как слоевой обмен (LE)13. Кристаллизация, индуцированная металлами (MIC), представляет собой простой и эффективный метод снижения температуры синтеза MLG непосредственно на подложках путем индуцирования LE. Синтез происходит непосредственно на подложке, исключая дополнительные этапы механического переноса МЛГ. Олово (Sn) имеет преимущество перед другими металлами, позволяя осуществлять синтез на поверхности металла и на изолирующей подложке при температуре 250 °C из-за его низкой температуры плавления14.

В этой работе мы непосредственно синтезируем МЛГ на Sn и на изолирующей подложке при низкой температуре (≈250 °C) с помощью MIC-LE14. Вместо нагрева всего образца, локальный нагрев в нужном месте образца осуществляется с помощью наконечника резистивного нанонагревателя. Методы на основе нанонагревателей использовались для восстановления изолирующих пленок оксида графена (GO) с целью локального создания графена15,16,17; однако это первый раз, когда нагрев на основе зонда используется с MIC-LE для синтеза MLG. Этот новый метод совместим с существующими производственными процессами и имеет потенциал для применения в приложениях с высокой производительностью18,19,20,21,22. Прямой синтез МЛГ без переноса и маски на металлах и изолирующих подложках, достигнутый в этой работе, позволяет интегрировать МЛГ с дополнительной обработкой металл-оксид-полупроводник (КМОП)23.