韓科學(xué)家在微電子器件中直接合成石墨烯

　　韓國科學(xué)家在硅襯底上成功合成了直徑為4英寸的高質(zhì)量多層石墨烯，使石墨烯在硅材料微電子應用商業(yè)化方面邁近了一步。

　　在過(guò)去的十年中，石墨烯因其獨特的光學(xué)，力學(xué)，電學(xué)特性而受到人們的廣泛關(guān)注和研究。這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層材料能夠解放電子器件的制作方式，并有望制造出更快的晶體管，更便宜的太陽(yáng)能電池，新型的感應器以及更高效的生物傳感裝置。作為電位接觸電極和內部連接材料，圓片石墨烯是微電子電路里重要的組成部分，但目前絕大多數制作石墨烯的方法都不適用于微電子器件，因此阻礙了石墨烯從頗具潛力的神奇材料到實(shí)際利潤的制造者的轉變。

　　如今，來(lái)自首爾韓國大學(xué)(KoreaUniversity)的研究者們研發(fā)了一種適用于微電子器件的簡(jiǎn)單加工方法將直徑為4英寸，高質(zhì)量，多層圓片石墨烯成功地合成在了硅襯底上。該方法是基于離子注入技術(shù)--一種用電場(chǎng)加速離子轟擊半導體材料的方法。高速離子與半導體材料碰撞的結果能夠改變材料的物理，化學(xué)和電子特性。

　　通過(guò)高溫碳離子注入技術(shù)，研究者們在鎳/二氧化硅/硅襯底上合成了直徑4英寸的圓片多層石墨烯。

　　本周在由美國物理聯(lián)合會(huì )出版的期刊《應用物理快報》中，研究者們描述了他們的研究，這一工作將推動(dòng)石墨烯在微電子領(lǐng)域的商業(yè)化應用。

　　“若想將石墨烯應用于先進(jìn)的硅材料微電子器件中，則需要將大面積無(wú)皺，無(wú)裂痕，無(wú)渣的石墨烯在低溫條件下合成于硅片上，傳統的石墨烯合成技術(shù)需要高溫條件因此并不適用，”該研究組的帶頭人，韓國大學(xué)化學(xué)與生物工程系教授JihyunKim說(shuō)。“我們的工作表明碳離子注入技術(shù)很有潛力成為在微電子集成電路中直接合成圓片石墨烯的方法。”

　　自十年前石墨烯被人們發(fā)現至今，它被認為是世界上最薄，最輕且最強韌的材料。該材料柔韌透明，無(wú)毒價(jià)廉，其電導性可以與銅相媲美，能夠在室溫條件下近乎無(wú)電阻地傳導電子，該性質(zhì)也被成為“彈道輸運”(BallisticTransport)。石墨烯因其獨特的光學(xué)，力學(xué)以及電學(xué)特性而被認為是制作新一代速度更快，價(jià)格更低廉，耗能更少的電子產(chǎn)品的首選材料。

　　“在硅材料微電子器件中，石墨烯被用作電位接觸電極和電子電路中半導體元件的連接材料，”Kim說(shuō)。“這就使得基于高溫條件的加工方法不適用，因為高溫可能會(huì )帶來(lái)材料的損傷，扭曲，金屬尖峰和摻雜物的擴散。”

　　因此制作石墨烯的傳統技術(shù)化學(xué)氣相沉積法雖然廣泛地被應用于在銅片或鎳片上大面積合成石墨烯，但該方法并不適用于硅材料微電子器件，因為化學(xué)氣相沉積法需要在高于1000攝氏度的溫度條件下進(jìn)行，之后還要將石墨烯從金屬襯底轉移到硅襯底。

　　“轉移到目標襯底上的石墨烯常常有裂紋，皺褶以及污染物，”Kim說(shuō)。“因此我們認為應該研究一種無(wú)需轉移的方法，能夠直接在硅材料微電子器件中合成高質(zhì)量多層石墨烯。”

　　Kim的方法基于離子注入技術(shù)--一種和微電子器件相兼容的技術(shù)，通常用來(lái)給半導體材料中摻入雜質(zhì)。在離子注入過(guò)程中，碳離子被電場(chǎng)加速，在500攝氏度的溫度下轟擊鍍有鎳層和氧化硅層的硅襯底。鎳層，因其高的碳溶解度，被用來(lái)作為合成石墨烯的催化劑。隨后，整個(gè)樣品經(jīng)過(guò)高溫激活退火處理(約600到900攝氏度)使碳原子之間形成蜂窩狀晶格結構，也就是石墨烯的特征微觀(guān)結構。

　　Kim解釋說(shuō)激活退火的溫度可以通過(guò)提升離子注入過(guò)程的溫度而進(jìn)一步降低。通過(guò)改變環(huán)境的氣壓，氣體，溫度以及退火過(guò)程的時(shí)間，Kim和他的同事們系統地研究了高溫激活退火各方面條件對于合成高質(zhì)量多層石墨烯的影響。

　　據Kim說(shuō)，離子注入技術(shù)不同于其他制作方法的另一個(gè)方面是，它可以更精準地控制產(chǎn)品的最終結構，因為石墨烯鍍層的厚度可以通過(guò)控制碳離子的注入劑量而被精確地控制。

　　“我們的合成方法是可控制和可擴縮的，這種方法使我們能夠加工出與硅圓片同樣大小的石墨烯[直徑超過(guò)300毫米],”Kim說(shuō)。

　　研究者們下一步的計劃是進(jìn)一步降低合成過(guò)程中的溫度和控制生產(chǎn)過(guò)程中石墨烯的厚度。