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石墨烯有助金属电极和二维材料的转移印刷

2022-06-22 15:50:27 综合报道 阅读:
中国科学院、湖南大学、香港城市大学和复旦大学的研究人员最近开发了一种新技术,可以更有效地在二维材料上转移金属电极,从而开发出更可靠的金属-半导体结。这项技术发表在Nature Electronics上。

金属-半导体结,即金属与半导体材料连接的电结,是众多电子和光电器件的关键组件。虽然它们现在在全球范围内广泛生产和使用,但创建集成传统金属和 2D 半导体的高质量结可能很困难。YNzednc

事实上,当应用于二维材料时,传统的金属沉积技术需要一个称为离子轰击的过程,可能会导致化学紊乱。此外,现有的转移印刷技术——将金属电极预先沉积并转移以形成范德华(vdW)结,但是金属电极的预沉积会在基底上形成化学键,这使得后续的转移变得困难。YNzednc

中国科学院、湖南大学、香港城市大学和复旦大学的研究人员最近开发了一种新技术,可以更有效地在二维材料上转移金属电极,从而开发出更可靠的金属-半导体结。这项技术发表Nature Electronics上。YNzednc

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这项技术需要将金属电极阵列从石墨烯晶片上剥离,然后将它们转移印刷到不同的二维材料上。研究人员将6种不同种类的金属沉积到晶圆级石墨烯/锗供体基板上,其中包括弱粘附金属,即铜、银和金,以及强粘附金属,即铂、钛和镍。由于弱粘附金属和强粘附金属都容易分层,因此可以使用聚合物薄膜轻松地将金属电极阵列从基板表面剥离。随后,用去离子水去除聚合物薄膜后,晶圆级金属图案可以转移到任意目标上,良率可达100%,较二氧化硅基板转印方法更优。研究人员认为,石墨烯辅助金属转印方法是大规模制造二维材料集成电路的可靠方案。YNzednc

石墨烯辅助金属转移印刷技术利用二维材料上的vdW表面来创造独立的金属薄膜。与报道的SiO 2作为中间基板的转印技术相比,Gr/Ge基板所提供的vdW表面使弱粘附金属(如Cu、Ag和Au)和强粘附金属(如Pt、Ti和Ni)的转移得以实现。由于石墨烯的vdW表面没有悬垂键,没有形成界面产物,Ti/Gr/Ge界面非常锋利。Ti和石墨烯之间微弱的vdW相互作用导致了较高的转移率。由于石墨烯辅助金属转移印刷工艺与传统的侵略性沉积相比是相当温和的,可以避免对脆弱的2D材料的损伤。YNzednc

从图1e、f中可以看出,石墨烯辅助金属转移印刷工艺可以将不同的金属,包括弱粘附金属(Cu、Ag、Au)和强粘附金属(Pt、Ti、Ni)转移到SiO2基底上。无论采用何种金属类型,直径为20 μm的10 × 10圆图案的转移率均可达100%,验证了该技术的通用性。为了说明这种工艺在制作短通道晶体管方面的潜力,研究者设计并制作了三种不同的通道长度,即4 μm、2 μm和400 nm(图1g)。YNzednc

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除了传统的3D衬底,金属图案也可以转移到2D衬底上,如石墨烯和MoS 2。由5 μm宽的Au带组成的整个图案(字母'SIMIT')被成功地转移到SiO2、石墨烯和MoS2衬底上(分别如图2d-f所示)。Au的'SIMIT'模式在三种不同衬底上的完全转移也可以通过共焦拉曼映射来验证。当石墨烯等二维材料被高能原子或簇轰击时,金属电极沉积后很容易产生晶格缺陷,相比之下,石墨辅助金属转移打印技术是非侵入性的,像石墨这样的2D材料可以在不产生缺陷的情况下进行加工YNzednc

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根据他们进行的初步测试,研究人员认为,他们的石墨烯辅助金属转移方法是基于 2D 材料大规模制造集成电路的可靠解决方案。YNzednc

在接下来的研究中,他们计划开始使用他们的技术来开发用于电子和光电设备的特定组件,以进一步评估其有效性。YNzednc

“除了一个简单的 2D 晶体管,我们正在使用这种技术来制造基本的 2D 逻辑单元,包括 AND-OR、NOR 和 AND 门,”研究人员表示。“此外,我们的方法的成本应该通过优化工艺和提高石墨烯/Ge基板的可重复使用性来进一步降低。”YNzednc

责编:Demi
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