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二維材料指的是由單原子層或幾個(gè)原子層構成的晶體材料[1]。從2004年石墨烯發(fā)現之后,二維材料開(kāi)始成為凝聚態(tài)物理研究的重點(diǎn)之一。而二維材料一般都有對應的體材料,雖然化學(xué)組成是相同的,但是實(shí)際上在光電性質(zhì)上往往天差地別。就拿最常見(jiàn)的石墨烯來(lái)說(shuō),石墨烯比其體材料的載流子遷移率要大得多;同時(shí)單層石墨烯的拉曼峰的相對強度和展寬和石墨相比,也產(chǎn)生了巨大的變化。
本文以石墨烯為例子,主要介紹本實(shí)驗室中制備二維材料并測量其電學(xué)性質(zhì)的過(guò)程。
一、制備單層石墨烯
制備單層石墨烯使用全干法轉移,全干法是從最初的透明膠帶法改良而來(lái)的一種方法,其優(yōu)點(diǎn)是干凈,制備速度快。
實(shí)驗室有兩種石墨(見(jiàn)圖1),一種是HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite,高定向熱解石墨)。HOPG是一種新型高純度碳,是熱解石墨經(jīng)高溫高壓處理后制得的一種新型石墨材料,其性能接近單晶石墨[2]。另外一種是天然石墨?,F在實(shí)驗室主要使用天然石墨進(jìn)行單層石墨烯的制備。
圖1:HOPG與天然石墨
首先,使用藍膠(透明膠帶的一種,黏性弱但是更加干凈)粘附少許石墨烯樣品,用藍膠對粘數次之后藍膠表面的樣品慢慢就比較薄了,在樣品數量達到不多不少的程度的時(shí)候(見(jiàn)圖2),就可以進(jìn)行下一步的操作了。
圖2:粘上一些樣品的藍膠
硅片(表面有300nm的SiO2氧化層,見(jiàn)圖3)接觸藍膠上的石墨烯,并且使用棉簽輕輕按壓石墨烯使其和硅片緊密接觸,最終使硅片上粘附一定量的石墨烯。撕開(kāi)藍膠之后將硅片轉移到顯微鏡下進(jìn)行觀(guān)察和尋找單層石墨烯(見(jiàn)圖4)。
圖3:硅片
圖4:顯微鏡下尋找石墨烯單層樣品
找到單層石墨烯之后,因為石墨烯本身導電性就很好,和普通的電極(Au,Al等)的肖特基接觸基本可以忽略,只有歐姆接觸,因此不需要額外制備中間電極,只需要直接接入金屬電極就可以進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測量。以后會(huì )具體討論二維半導體材料(MoS2,In2Se3,CrBr3等)減小肖特基接觸的問(wèn)題。
二、微電極的制作
在單層石墨烯制備好之后,需要接入微電極進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測量。
在單層石墨烯上制作微電極需要進(jìn)行微納加工才可以進(jìn)行。制作微電極的基本流程見(jiàn)圖5。
圖5:微電極加工流程
第一步:旋涂。
在硅片上旋涂一層膠。一般涂膠用正膠(正膠就是曝光區域的膠在顯影時(shí)溶解,負膠反之,未曝光的區域溶解)。根據所選的光刻膠以及你后續工藝的需要,我們做電極一般常用AZ6112正膠。設置勻膠機參數:預轉速500r,時(shí)間是5s;轉速4000r,時(shí)間30s。在勻膠機的作用下膠會(huì )均勻分布在硅片上。這樣的條件下光刻膠的厚度大約1μm。
第二步:烘烤。
光刻膠旋涂完畢后接著(zhù)是放在熱板上烘烤增強光刻膠與硅片粘附力,防止光刻膠污染設備,實(shí)際操作中如果不烘烤硅片稍微磕碰光刻膠就會(huì )彌散。加熱溫度設置為100℃,時(shí)間為90s。
第三步:對準,曝光與顯影。
掩膜板是一塊玻璃,上面鍍有反射層,而制作電極的地方(即光刻圖案)沒(méi)有反射層。將掩膜板上光刻圖案剛好對準在石墨烯上之后,就可以進(jìn)行曝光操作。曝光之后就是顯影,掩膜板上電極所在區域的膠都會(huì )消失,就好像凹下去了一樣,空出來(lái)的部分就用以放置電極(見(jiàn)圖6)。
圖6:顯影后的電極位置
第四步:鍍膜。
如果顯影效果還不錯,就開(kāi)始鍍膜。將顯影后的樣品放在電子束蒸發(fā)腔內,蒸發(fā)腔內有各種金屬(Cr,Au,Al,Ti等),原理是使用高壓電子束加熱蒸發(fā)料,蒸發(fā)材料揮發(fā)后沉積到樣品表面,這一步參數設置好后基本自動(dòng)完成鍍膜。我們一般先鍍5nmCr再鍍30nmAu。單獨鍍金的話(huà)金會(huì )發(fā)生團聚影響其相應的功能,先鍍Cr的話(huà)可以增強其粘附性。
第五步:去膠。
鍍完膜后就可以去膠。我們去膠一般就是將鍍完膜的樣品放在丙酮溶液中泡,只是這樣用時(shí)很長(cháng),或者用超聲大概5min基本就能將膠去掉,這時(shí)放在顯微鏡下你會(huì )看到和光刻板上的圖案一樣的鍍了金屬的電極。而其他地方的膠都會(huì )消失。
第六步:傍線(xiàn)。
傍線(xiàn),就是用非常細的Al線(xiàn)一端接在樣品微電極,一端接在自己加工的底座上。這樣微電極就制備完了,之后就可以進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測量。
三、電學(xué)性質(zhì)的測量
在石墨烯的微電極制備好之后,接入導線(xiàn)和電壓就可以進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測量。
如圖7,是石墨烯的三個(gè)電極,接入源表。柵極接入正電壓或者負電壓可以改變空穴或者電子的濃度,源極和漏極接入電壓并測量電流可以得到石墨烯的伏安特性曲線(xiàn)。實(shí)驗裝置見(jiàn)圖8。
圖7:測量石墨烯伏安特性曲線(xiàn)器件示意圖
圖8:接入源極,柵極,漏極導線(xiàn)的實(shí)驗器件
引用文獻
[1]於逸駿,張遠波,YUYi-Jun,等.從二維材料到范德瓦爾斯異質(zhì)結[J].物理,2017,46(4):205-213.
[2]HOPG_互動(dòng)百科