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日本科學家合成均勻多層六方氮化硼,可實現(xiàn)石墨烯器件性能提升

信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-03-25 08:22:15 | 瀏覽量:286902

摘要:

2023年2月7日,由九州大學全球創(chuàng)新中心、大阪大學科學與工業(yè)研究所和國家先進工業(yè)科學技術研究所組成的聯(lián)合研究小組,宣布成功合成了均勻多層六方氮化硼,并已使用該技術改善了大型石墨烯器件的性能。01研究背景在半導體微型化接近極限的現(xiàn)狀下,石墨烯等超薄二維原子片有…

2023年2月7日,由九州大學全球創(chuàng)新中心、大阪大學科學與工業(yè)研究所和國家先進工業(yè)科學技術研究所組成的聯(lián)合研究小組,宣布成功合成了均勻多層六方氮化硼,并已使用該技術改善了大型石墨烯器件的性能。

01
研究背景

在半導體微型化接近極限的現(xiàn)狀下,石墨烯等超薄二維原子片有望成為引領下一代半導體發(fā)展的“二維材料”。其中,石墨烯是最具代表性的一種,在物質中載流子遷移率最高,被應用于IC和傳感器;另外過渡金屬二硫化物(TMDC)也是二維材料,可以像硅一樣在半導體中用作通道材料。不過,這些二維材料的大部分組成原子都暴露在表面上,因此在應用時由于表面帶電以及表面吸附的氧和水分的影響,無法完全發(fā)揮本身的特性。

圖片

多層六方氮化硼在石墨烯器件中的重要性

左:(無多層hBN)由于基板的不平整以及氣體的吸附作用,石墨烯特性無法完全發(fā)揮;

右:(有多層hBN)多層氮化硼很好地保護了石墨烯。

于是科學家想到,如果能使用六方氮化硼(hBN)保護上下層石墨烯,就可以顯著改善電學和光學性能,并可以利用石墨烯的特性。然而在當時,大面積均勻合成多層hBN的技術尚未建立。

02
研究進展

為了制備出均勻多層hBN,研究團隊使用主要由Fe和Ni組成的市售合金箔,在加熱至約1200℃的反應器中,在合金箔表面采用化學氣相沉積法(CVD)合成了多層厚度為2-10 nm的hBN。下圖右是從Fe-Ni合金箔轉移到硅基板上的多層hBN的照片以及用光學顯微鏡拍攝的放大照片??梢钥闯?,得到了厚度比較均勻、色澤不均勻的多層膜。

圖片

由于多層hBN和石墨烯是在金屬上合成的,因此科學家使用不留金屬殘留物的電化學方法(而不是蝕刻法),對多層hBN進行了轉移,并與石墨烯堆積在一起,下圖是轉移的過程。


圖片

多層hBN與石墨烯轉移制備hBN-石墨烯疊層結構方案

最后,器件被制造出來并進行了評估。石墨烯/hBN堆疊器件的橫截面電子顯微照片及其元素分析顯示,在11層多層hBN的頂面存在一層石墨烯(下圖c)。對60多個器件進行的系統(tǒng)比例比較表明,電化學方法比蝕刻方法表現(xiàn)出更高的遷移率,并且通過將石墨烯夾在hBN之間實現(xiàn)了遷移率的最顯著增加(下圖d)。

圖片

(a) 石墨烯器件的光學顯微鏡圖像

(b) 石墨烯/hBN器件的放大光學顯微鏡圖像

(c) 橫截面電子顯微鏡圖像

(d) 各種器件的載流子遷移率比較

未來,該課題組將進一步提高hBN的均勻性,以增加hBN的面積為目標。此外,通過抑制轉移過程中出現(xiàn)的褶皺和氣泡,以進一步提高石墨烯器件的特性,為下一代半導體和工業(yè)應用的開發(fā)做出貢獻。


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