Опубликован: 22.01.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 257 / 3 | Длительность: 16:29:00
ISBN: 978-5-9556-0167-0
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 7:

Наноэлектронная элементная база информатики на основе графена

< Лекция 6 || Лекция 7: 12345 || Лекция 8 >

Краткий обзор методов изготовления графена

Одним из условий внедрения графеновой наноэлектронной элементной базы в практику является разработка технологии изготовления графена, пригодной для промышленного производства.

Для научных исследований чаще всего используют графен, полученный методом отшелушивания или отщепления слоев от высококачественного пиролитического графита. В одном из вариантов на тонкие пластинки такого графита с обеих сторон наклеивают скотч и с его помощью расщепляют пластинку на более тонкие пластинки. На свободную сторону снова наклеивают скотч и снова расщепляют. Когда отшелушатся совсем тонкие пленки, их прижимают к подложке из кремния с окислом толщиной 285-300 нм. На окисле только такой толщины можно рассмотреть в микроскоп одно-, двух-, трехатомные пленки графена. Пленки графена можно увидеть в оптический микроскоп также на поверхности, покрытой слоем нитрида кремния толщиной 68 нм или оксида алюминия толщиной 72 нм. Отобранные пленки более детально исследуют для того, чтобы убедиться в том, что это именно графен.

В другом варианте графитовые блоки под давлением притирают к поверхности окисленного кремния и потом, исследуя отшелушенные чешуйки, выбирают из них однослойные, – это и есть графен. В третьем варианте тонкую пластинку графита крепят на электрод, параллельно которому на небольшом расстоянии устанавливают окисленную пластину кремния. Между электродом и кремнием прикладывают большое электрическое напряжение от 1 до 15 кВ. Под действием электрических сил слои графита могут отсоединяться и переноситься на кремний.

Такие методы, пригодные для использования в лабораторных условиях, конечно же, не подходят для широкомасштабного производства.

Более близок к промышленному производству метод термического разложения карбида кремния (SiС) с кристаллографической ориентацией поверхности (0001). При нагревании в атмосфере аргона (900 мбар) при 1650^{\circ}C карбид разлагается, атомы кремния испаряются, и на поверхности растет пленка графена ( рис. 7.19). Атомы углерода условно показаны на рисунке темными шариками, атомы кремния – светлыми шариками большего размера.

Качество полученных таким методом пленок оказывается более высоким, если поверхность карбида кремния C-стабилизирована, т.е. внешний ее слой состоит из атомов углерода.

Еще более подходит для промышленного производства метод химического осаждения из газовой фазы. В одном из вариантов этого метода на подложку из окисленного кремния наносят пленку никеля толщиной до 300 нм, которая выполняет роль катализатора. Осаждение проводят в кварцевой трубе при температуре около 1000^{\circ}C при прокачке сквозь трубу смеси газов CH_4:H_2:Ar в соотношении 50:65:200. При этом молекулы метана химически разлагаются, и из высвобожденных атомов углерода растет графен.

Схематическое изображение процесса выращивания графена при термическом разложении карбида кремния (справа – вид кристалла SiC сверху)

Рис. 7.19. Схематическое изображение процесса выращивания графена при термическом разложении карбида кремния (справа – вид кристалла SiC сверху)

После окончания синтеза (приблизительно через 5 мин.) пластины охлаждают в потоке аргона со скоростью порядка 10 градусов в секунду. Пленку никеля удаляют путем вытравливания в одномолярном водном растворе FeCl_3. Через несколько минут травления графеновые пленки отделяются и всплывают на поверхность раствора, откуда их можно осторожно "подхватить" на соответствующую подложку.

Пленки графена размером порядка 1 см удалось выращивать в тех же условиях также на медной фольге толщиной 25 мкм. В этом случае рост пленки сам по себе прекращается приблизительно через 10 мин. Часть площади пленки, покрытая однослойным графеном, превышает 95%. В результате усовершенствования этой технологии удалось вырастить рекордные по размеру пленки графена приблизительно прямоугольной формы с длиной диагонали до 75 см. Для выращивания такого "гиганта" использовали лист высококачественной медной фольги, свернутый в цилиндр и помещенный в кварцевую трубу с внутренним диаметром 20 см. Внутрь цилиндра из фольги для выравнивания температуры была введена кварцевая труба диаметром 18,5 см. После выращивания на медную фольгу с пленкой графена накладывали пленку полиэтилентерфталата и прокатывали их между двумя валками. Затем медную фольгу химически вытравливали. А с полимерной пленки графен можно легко переносить практически на любую подложку.

Во многих лабораториях продолжают разрабатывать и исследовать также другие перспективные методы выращивания графена, а также способы нарезания графеновой пленки на детали нужной формы, с заданной кристаллографической ориентацией и нужных размеров.

Для получения нанополосок графена, перспективных для изготовления полевых транзисторов, оказалось, в частности, возможным использовать УНТ. Одна из методик заключается в том, что углеродные нанотрубки бомбардируют ионами аргона в плазме аргона. Первыми почти всегда разрушаются крышки УНТ. А когда обе они разрушены, то УНТ сама собой "раскрывается", образуя полоски графена. В другом способе УНТ обрабатывают в горячем растворе перманганата калия и серной кислоты. Под действием этих сильных окислителей в самом слабом месте УНТ атомы углерода окисляются. Связи соседних с ними атомов углерода ослабляются, и они тоже окисляются. И дальше разрыв связей продолжается в обе стороны ( рис. 7.20), пока УНТ не раскроется как застежка-молния.

Схематическое изображение этапов раскрытия УНТ

Рис. 7.20. Схематическое изображение этапов раскрытия УНТ

Для удаления атомов кислорода с краев образуемых полосок графена, их восстанавливают гидразином или в плазме водорода.

В завершение отметим, что исследования графена дали старт работам по синтезу и исследованию многих других "двумерных" кристаллов. Методы, разработанные для получения и идентификации графеновых пленок, оказались пригодными для получения также многих других моноатомных или мономолекулярных пленок, – в частности BN, MoS_2, NbSe_2 и т.д.

Двумерным кристаллом называют пленку, которая состоит из одного слоя атомов (молекул), расположенных в правильном порядке с периодически повторяющейся элементарной ячейкой.

На пленках бисульфита молибдена (MoS_2), например, тоже были изготовлены полевые транзисторы, электрическое сопротивление которых в открытом и в закрытом состояниях отличается в 108 раз. Преимущество их заключается в том, что в отличие от графена эти пленки являются полупроводниковыми с шириной запрещенной зоны 1,8 эВ. Поэтому не исключено, что графен является первым, но не обязательно наилучшим для применений в электронике двумерным материалом.

< Лекция 6 || Лекция 7: 12345 || Лекция 8 >
Екатерина Шубина
Екатерина Шубина

Где можно посмотреть информацию о физических ограничениях на значения характеристик компьютеров

Сергей Ронин
Сергей Ронин
Россия
Антон Хотулёв
Антон Хотулёв
Россия