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基于二维材料的六方氮化硼原子级刻蚀用于器件集成

期刊:NanoscaleDOI:10.1039/c8nr02451k

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作者及研究机构

本研究由Hamin Park、Gwang Hyuk Shin、Khang June Lee和Sung-Yool Choi*等人共同完成,研究机构为韩国科学技术院(KAIST)的先进材料发现中心(Center for Advanced Materials Discovery)及石墨烯/二维材料研究中心(Graphene/2D Materials Research Center)。研究发表于期刊《Nanoscale》上,出版时间为2018年5月21日。

学术背景

本研究属于二维材料(2D materials)领域,特别是六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)的原子级刻蚀技术及其在电子器件中的应用。自2004年石墨烯(graphene)被发现以来,二维材料因其独特的物理和化学性质受到广泛关注。h-BN作为一种理想的绝缘模板,在二维材料电子器件中具有重要的应用潜力,但其刻蚀技术尚未得到充分研究。传统的刻蚀方法通常涉及高温或高反应性气体,容易对材料造成损伤,且刻蚀速率难以控制。因此,本研究旨在开发一种室温下基于氩等离子体(Ar plasma)的原子级刻蚀技术,以实现对h-BN的精确控制刻蚀,并将其应用于二维材料器件的集成。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤:

  1. h-BN样品的制备
    h-BN薄膜通过机械剥离法(mechanical exfoliation)从块体晶体中剥离,并转移到90 nm厚的二氧化硅(SiO₂)基底上。剥离后的样品在氢气(H₂)气氛中400℃下退火,以去除残留的胶带。

  2. 氩等离子体刻蚀
    刻蚀过程在室温下进行,使用氩气流量为110 sccm,压力为0.2 torr的射频(RF)等离子体腔室。RF功率设置为30至80 W,以实现刻蚀速率的精确控制。通过原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱(Raman spectroscopy)对刻蚀后的样品进行表征。

  3. 刻蚀速率与表面形貌分析
    通过AFM测量刻蚀前后的h-BN薄膜厚度变化,计算刻蚀速率。研究实现了低于1 nm/min的刻蚀速率,且表面粗糙度(RMS roughness)保持在1 nm以下,表明刻蚀过程对表面形貌的影响极小。

  4. 单层h-BN的制备与表征
    通过控制刻蚀时间,研究成功将多层h-BN刻蚀至单层厚度(4 Å)。拉曼光谱显示,单层h-BN的拉曼峰相比多层发生了蓝移(blue shift),进一步验证了单层h-BN的形成。

  5. h-BN/MoS₂异质结构的制备与器件性能测试
    研究使用h-BN刻蚀技术制备了基于h-BN/MoS₂异质结构的顶栅场效应晶体管(top-gate MoS₂ FET)。通过精确控制刻蚀时间,实现了h-BN的完全去除,同时避免了对底层MoS₂的损伤。器件表现出优异的电学性能,开关比(on/off current ratio)超过10⁶,载流子迁移率(carrier mobility)达到22 cm²V⁻¹s⁻¹。

主要结果

  1. 原子级刻蚀技术的实现
    研究成功开发了一种基于氩等离子体的原子级刻蚀技术,刻蚀速率可控制在1至4 Å/min范围内。AFM和拉曼光谱结果表明,刻蚀过程对h-BN的表面形貌和晶体结构影响极小,且刻蚀速率与时间呈线性关系。

  2. 单层h-BN的成功制备
    通过刻蚀多层h-BN,研究成功制备了单层h-BN薄膜。拉曼光谱的蓝移现象进一步验证了单层h-BN的形成。

  3. h-BN/MoS₂异质结构器件的优异性能
    基于h-BN刻蚀技术制备的顶栅MoS₂ FET表现出高开关比和载流子迁移率,表明h-BN作为栅介质在二维材料器件中具有重要应用潜力。

研究结论

本研究开发了一种室温下基于氩等离子体的原子级刻蚀技术,成功实现了对h-BN的精确控制刻蚀,并将其应用于二维材料器件的集成。该技术不仅为h-BN的加工提供了新方法,还为二维材料电子器件的开发提供了重要技术支持。研究结果表明,h-BN作为栅介质在二维材料器件中具有广泛的应用前景,特别是在高开关比和高迁移率器件中。

研究亮点

  1. 原子级刻蚀技术的创新性
    本研究首次实现了室温下基于氩等离子体的原子级刻蚀技术,刻蚀速率可精确控制,且对材料表面形貌影响极小。

  2. 单层h-BN的成功制备
    通过刻蚀多层h-BN,研究成功制备了单层h-BN薄膜,为单层二维材料的制备提供了新方法。

  3. h-BN/MoS₂异质结构器件的优异性能
    基于h-BN刻蚀技术制备的顶栅MoS₂ FET表现出高开关比和载流子迁移率,验证了h-BN在二维材料器件中的实际应用价值。

其他有价值的内容

研究还详细探讨了氩等离子体刻蚀技术的机理,包括等离子体参数(如RF功率和气体压力)对刻蚀速率的影响,为后续研究提供了重要参考。此外,研究通过AFM、拉曼光谱和透射电子显微镜(TEM)等多种表征手段,全面验证了刻蚀技术的可靠性和精确性。

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