自從發(fā)現(xiàn)石墨烯及其卓越的性質(zhì)以來(lái)，研究人員積極探索先進(jìn)的石墨烯圖案化技術(shù)。雖然蝕刻工藝在形成石墨烯通道中是關(guān)鍵的，但是現(xiàn)有的蝕刻技術(shù)具有局限性，例如速度低、成本高、殘留物污染和邊緣粗糙。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單有效的蝕刻方法是必要的。這項(xiàng)研究需要開(kāi)發(fā)一種通過(guò)干法蝕刻圖案化石墨烯的新技術(shù)，利用選擇性光化學(xué)反應(yīng)精確地針對(duì)單層石墨烯(SLG)表面。該過(guò)程通過(guò)發(fā)射波長(zhǎng)為172 nm的光的準(zhǔn)分子紫外燈來(lái)促進(jìn)。通過(guò)各種光譜分析，證實(shí)了這種技術(shù)在大面積上選擇性去除SLG，留下幾層完整和清潔的石墨烯的有效性。此外，我們探索了這種技術(shù)在器件制造中的應(yīng)用，揭示了它在提高SLG基器件電學(xué)性能方面的潛力。與二維接觸器件相比，使用這種方法制造的一維(1D)邊緣接觸不僅表現(xiàn)出增強(qiáng)的電傳輸特性，而且在制造傳統(tǒng)的1D接觸器件中表現(xiàn)出增強(qiáng)的效率。這項(xiàng)研究解決了適用于下一代石墨烯器件的先進(jìn)技術(shù)的需求，提供了一種具有廣泛適用性和高效率的有前途的通用石墨烯圖案化方法。
圖 1. 石墨烯混合層中SLG的選擇性刻蝕。(a)實(shí)驗(yàn)裝置(左)和通過(guò)準(zhǔn)分子紫外輻射的SLG光化學(xué)蝕刻過(guò)程的示意圖(右；紅色星號(hào))。在受激準(zhǔn)分子UV照射240 s之前和之后，原始剝離石墨烯(b，c)的光學(xué)顯微鏡和AFM形貌圖像。(b)和(d)中的虛線方塊表示(c)和(e)的AFM掃描區(qū)域。(f)受激準(zhǔn)分子紫外線照射前后的高度輪廓比較，沿(c)和(e)中所示的黑色和紅色箭頭線測(cè)量。(g)受激準(zhǔn)分子紫外線照射240秒后SLG拉曼光譜的變化。在AFM形貌圖像(c)和(e)中指定為黑點(diǎn)和紅點(diǎn)的位置獲得(g)中的拉曼光譜。
圖 2. 準(zhǔn)分子紫外輻照240 s后MLG的拉曼光譜分析。(a)在蝕刻條件下(240秒)暴露于受激準(zhǔn)分子紫外光的具有不同層數(shù)的MLG的拉曼光譜。原始和受激準(zhǔn)分子UV曝光的石墨烯樣品的光譜分別由黑線和紅線表示。單個(gè)剝離樣品中的不同區(qū)域?qū)?yīng)于BLG、TLG、FLG和MLG石墨烯。基于光學(xué)顏色、拉曼光譜特征和AFM地形高度來(lái)識(shí)別這些層。(b)BLG的拉曼光譜變化是受激準(zhǔn)分子紫外線照射時(shí)間的函數(shù)。(c)根據(jù)從(b)中提供的數(shù)據(jù)中提取的G和2D峰值位置(ω)之間的相關(guān)性，對(duì)BLG進(jìn)行應(yīng)變和興奮劑分析。藍(lán)色箭頭代表雙軸應(yīng)變BLG的參考線，如Zabel等人所報(bào)道。陰影區(qū)域中的彩色彎曲箭頭代表Fates等人觀察到的摻雜效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參考。通過(guò)檢查峰值位置和半峰全寬之間的關(guān)系對(duì)BLG進(jìn)行興奮劑分析(FWHM；γ)為G峰。帶陰影區(qū)域的紫色彎曲箭頭顯示了Das等人[16]報(bào)告的BLG摻雜效應(yīng)。使用Si峰強(qiáng)度將每個(gè)拉曼光譜歸一化為1，對(duì)準(zhǔn)位置在520 cm
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圖3. 準(zhǔn)分子紫外輻照240 s后hBN上石墨烯的TEM表征。(a) TEM樣品制備，包括SLG、hBN和TEM網(wǎng)格。插圖說(shuō)明了TEM網(wǎng)格上石墨烯/hBN的結(jié)構(gòu)順序。(b，c)在(b)和(c)受激準(zhǔn)分子UV蝕刻之前在SLG/hBN獲得的沿著指定線的代表性SAED圖案和相應(yīng)的強(qiáng)度分布(插圖)。(d-f)與BLG/hBN的(a-c)數(shù)據(jù)集相同。孔1和孔2分別表示僅BLG和BLG/hBN結(jié)構(gòu)。(e)和(f)中的代表性SAED圖案是在第2孔獲得的。
圖 4. 使用SLG選擇性蝕刻在hBN/SLG FET器件中制造2D和1D電極接觸。(a)使用SLG選擇性蝕刻方法制造具有2D和1D電極接觸的hBN/SLG/SiO2器件的AFM結(jié)果。插圖顯示了表明2D和1D電極接觸的光學(xué)圖像。(b)2D和1D電極接觸元件的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。石墨烯和Au/Cr電極之間的2D和1D接觸界面分別用洋紅色和藍(lán)色突出顯示。(c)hBN/SLG FET器件中2D和1D電極接觸的柵相關(guān)電輸運(yùn)特性。插圖顯示了通過(guò)漏源的輸出曲線。(d)使用從(c)獲得的2D和1D接觸的依賴于柵極電壓(VG)的電阻，通過(guò)德魯?shù)履Ｐ蛿M合結(jié)果。1D觸點(diǎn)中Rtot、Rch和2RC的所有電阻值都乘以1.62。
圖 5. 2D-Co/CAFE40 的結(jié)構(gòu)與性能評(píng)估。(a1–a6) 通過(guò)條紋誘導(dǎo) AAO 和兩步蝕刻法生長(zhǎng) MINAL 結(jié)構(gòu)，由 COMSOL 軟件建模。(b1) 2D-Co/CAFE0 表面 (b2, b4) 水和 (b3, b5, b6) 有機(jī)溶液的傳質(zhì)過(guò)程的建模與模擬。(c1) 2D-Co/CAFE40 表面 (c2, c4) 水和 (c3, c5, c6) 有機(jī)溶液的傳質(zhì)過(guò)程的建模與模擬。
相關(guān)科研成果由韓國(guó)建國(guó)大學(xué)Jin Sik Choi，Bae Ho Park等人于2024年發(fā)表在Nano Convergence（https://doi.org/10.1186/s40580-024-00442-5）上。原文：Excimer-ultraviolet-lamp-assisted selective etching of single-layer graphene and its application in edge-contact devices
原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s40580-024-00442-5
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
