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在微电子器件中直接合成石墨烯


在过去的(de)(de)(de)十年中,石(shi)墨(mo)烯(xi)因其独特(te)(te)的(de)(de)(de)光(guang)学,力(li)学,电学特(te)(te)性而受到人们的(de)(de)(de)广(guang)泛关注和研究。 这种只有一个碳(tan)原(yuan)子厚度的(de)(de)(de)单层材料(liao)能够解放电子器(qi)件的(de)(de)(de)制作(zuo)方式,并有望制造出更快(kuai)的(de)(de)(de)晶体(ti)管(guan),更便宜(yi)的(de)(de)(de)太阳(yang)能电池,新型的(de)(de)(de)感应器(qi)以及更高效的(de)(de)(de)生物传感装置。作(zuo)为电位接(jie)触电极和内部连(lian)接(jie)材料(liao),圆片(pian)石(shi)墨(mo)烯(xi)是(shi)微(wei)电子电路(lu)里重要的(de)(de)(de)组成部分,但目(mu)前绝大多(duo)数制作(zuo)石(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)(de)(de)方法(fa)都不适用(yong)于微(wei)电子器(qi)件,因此阻碍了石(shi)墨(mo)烯(xi)从颇具潜力(li)的(de)(de)(de)神奇材料(liao)到实际利(li)润(run)的(de)(de)(de)制造者(zhe)的(de)(de)(de)转(zhuan)变。

如今,来自首尔韩国大学(Korea University)的研究者们研发了(le)一种适用于微电子(zi)(zi)器件的简单加工方(fang)法(fa)将直径为4英寸,高质量(liang),多层(ceng)圆片石墨(mo)烯成(cheng)功(gong)地合成(cheng)在了(le)硅衬底上(shang)。该方(fang)法(fa)是(shi)基于离子(zi)(zi)注(zhu)入技术–一种用电场加速离子(zi)(zi)轰击半导体(ti)材料(liao)(liao)的方(fang)法(fa)。高速离子(zi)(zi)与半导体(ti)材料(liao)(liao)碰撞的结果能(neng)够改变材料(liao)(liao)的物理,化(hua)学和电子(zi)(zi)特(te)性。

本周(zhou)在由美(mei)国(guo)物(wu)理(li)(li)联合会出版(ban)的期刊《应用物(wu)理(li)(li)快报》中,研(yan)究者们描述了他们的研(yan)究,这一工作将推动石墨烯在微电子领域(yu)的商(shang)业化应用。

“若(ruo)想将石墨(mo)烯应用于先进(jin)的硅(gui)材料微(wei)电(dian)(dian)子(zi)器件中,则需要(yao)将大(da)面积无(wu)(wu)皱,无(wu)(wu)裂痕(hen),无(wu)(wu)渣(zha)的石墨(mo)烯在(zai)低温(wen)条件下合成(cheng)(cheng)于硅(gui)片上(shang),传(chuan)统的石墨(mo)烯合成(cheng)(cheng)技术需要(yao)高温(wen)条件因此并(bing)不适用,”该研究组的带头人,韩国大(da)学化学与(yu)生物工(gong)程系教授Jihyun Kim说(shuo)。“J9九游会AG 的工(gong)作表明碳(tan)离(li)子(zi)注入技术很有潜力成(cheng)(cheng)为在(zai)微(wei)电(dian)(dian)子(zi)集成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)路中直接(jie)合成(cheng)(cheng)圆片石墨(mo)烯的方法。”

自十年前石墨烯被人们发现至今,它(ta)被认为是世界上最薄,最轻且(qie)最强(qiang)韧的(de)材料。该材料柔韧透明,无毒价(jia)廉(lian),其(qi)电(dian)导性(xing)可以与铜相媲(pi)美,能够在室温条(tiao)件下近(jin)乎(hu)无电(dian)阻地传导电(dian)子,该性(xing)质也被成为“弹道输运”(Ballistic Transport)。石墨烯因其(qi)独特的(de)光学,力学以及电(dian)学特性(xing)而被认为是制作新一代速度更快,价(jia)格更低廉(lian),耗(hao)能更少的(de)电(dian)子产(chan)品(pin)的(de)首选材料。

“在硅材料(liao)微电(dian)(dian)子(zi)器件中(zhong),石墨烯被用作电(dian)(dian)位接触电(dian)(dian)极和(he)电(dian)(dian)子(zi)电(dian)(dian)路中(zhong)半导体元件的连接材料(liao),” Kim说。“这(zhei)就使得基(ji)于高温条件的加工方法不适用,因(yin)为高温可能会带来材料(liao)的损伤,扭曲,金属尖峰(feng)和(he)掺杂物的扩散。”

因(yin)此制作石墨烯(xi)的(de)传统(tong)技(ji)术化(hua)学(xue)(xue)气(qi)相(xiang)(xiang)沉(chen)积(ji)(ji)法(fa)虽然广泛地被应(ying)用于在(zai)铜片或(huo)镍片上大(da)面积(ji)(ji)合成(cheng)石墨烯(xi),但该方法(fa)并(bing)不适用于硅材(cai)料(liao)微电子器(qi)件,因(yin)为化(hua)学(xue)(xue)气(qi)相(xiang)(xiang)沉(chen)积(ji)(ji)法(fa)需要在(zai)高于1000摄氏度的(de)温度条件下进(jin)行(xing),之后还要将石墨烯(xi)从(cong)金属衬(chen)底转移到硅衬(chen)底。

“转移到(dao)目标衬底(di)上的石(shi)墨烯常(chang)常(chang)有裂纹,皱褶以及污染(ran)物,” Kim说(shuo)。“因此J9九游会AG 认为应该研(yan)究一种无需(xu)转移的方法,能够直接在硅材料微电子器件中(zhong)合成高质量多层石(shi)墨烯。”

Kim的(de)(de)方法基(ji)于离子(zi)注入技(ji)术–一(yi)种(zhong)和微电子(zi)器件相兼容(rong)的(de)(de)技(ji)术,通常用(yong)来给半导体材料中掺入杂质。在(zai)离子(zi)注入过(guo)程中,碳(tan)离子(zi)被(bei)电场加速,在(zai)500摄氏度(du)(du)的(de)(de)温度(du)(du)下轰击镀有镍层(ceng)和氧(yang)化(hua)硅层(ceng)的(de)(de)硅衬底。 镍层(ceng),因其(qi)高的(de)(de)碳(tan)溶解度(du)(du),被(bei)用(yong)来作(zuo)为合(he)成石墨烯的(de)(de)催化(hua)剂。随(sui)后,整个样品经过(guo)高温激活退火处理(约600到900摄氏度(du)(du))使碳(tan)原子(zi)之间形(xing)成蜂窝(wo)状晶格结(jie)构(gou),也就是石墨烯的(de)(de)特征微观结(jie)构(gou)。

Kim解释说激(ji)(ji)活退(tui)火(huo)的温(wen)度可以通过(guo)提升离子(zi)注入过(guo)程的温(wen)度而进一步(bu)降(jiang)低。通过(guo)改(gai)变环(huan)境的气压,气体,温(wen)度以及退(tui)火(huo)过(guo)程的时间,Kim和(he)他的同事们系(xi)统(tong)地研究了(le)高(gao)温(wen)激(ji)(ji)活退(tui)火(huo)各方面条件(jian)对于合成(cheng)高(gao)质量多层石墨烯的影响。

据Kim说,离子注(zhu)入(ru)技术不同(tong)于(yu)其他制(zhi)作方法的(de)另(ling)一个方面是(shi),它可以更精准(zhun)地控(kong)制(zhi)产(chan)品的(de)最(zui)终结构,因(yin)为(wei)石墨烯(xi)镀层的(de)厚度可以通过控(kong)制(zhi)碳离子的(de)注(zhu)入(ru)剂(ji)量而被精确地控(kong)制(zhi)。

“J9九游会AG 的合成方法(fa)(fa)是可控(kong)制和可扩缩的,这种方法(fa)(fa)使J9九游会AG 能够加工出与(yu)硅(gui)圆片(pian)同样大(da)小(xiao)的石(shi)墨(mo)烯[直径超过300毫米], ” Kim说。

研(yan)究者们下一步的计(ji)划(hua)是进一步降(jiang)低合成过程中的温度和控制生(sheng)产过程中石墨烯的厚度。



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