關(guān)于石墨烯的結(jié)構(gòu)和方法
【專利摘要】本申請涉及基于石墨烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及制備基于石墨烯之異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括:i)第一封裝層;ii)第二封裝層;和iii)石墨烯層。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電子器件中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用。
【專利說明】關(guān)于石墨烯的結(jié)構(gòu)和方法
[0001]本發(fā)明一般性涉及有關(guān)石墨烯的結(jié)構(gòu)和方法。在一些方面,本發(fā)明一般性涉及石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),即包括石墨烯和至少一種其它材料的結(jié)構(gòu)。
[0002]石墨烯可以理解成碳原子排列成蜂窩狀晶格的一個原子厚度的平面片(planarsheet)。
[0003]為了尋找石墨烯中期望的、預(yù)測的或待發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象和應(yīng)用,據(jù)認為重要的是繼續(xù)提高石墨烯的電子質(zhì)量(其通常表征為電荷載流子遷移率U)。通過在經(jīng)氧化的硅晶片頂部進行機械剝離獲得的石墨烯通常表現(xiàn)出U~lO’OOOcn^V—is' 1就典型的載流子濃度n~IO12CnT2而言,這樣的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成平均自由程l=(h/2e) u (n/n)0.5大約lOOnm,其中h是普朗克常數(shù),e為電子電荷。另一方面,已表明如果消除石墨烯的非本征散射,則由于電子-聲子的弱相互作用,室溫(T)下石墨烯的遷移率可以達到約200,OOOcm2V-1 s'2事實上,就n~IO11CnT2而言,分別在室溫和液氦T下證明了通過高電流退火的懸浮石墨烯的y超過100,OOOcm2V-1S-1和1,000, OOOcm2AT1S' 然而,懸浮器件極易碎,容易受環(huán)境氣氛影響,并且難以以適當(dāng)?shù)乃奶结槑缀螛?gòu)型退火(后者迄今尚未實現(xiàn))。另外,在高至室溫時,需要大量張力來抑制懸浮石墨烯的撓曲型(flexural mode)并保持高U。5最近,通過使用六方氮化硼(hBN)作為用于剝離石墨烯的原子級平滑且惰性的基底實現(xiàn)了突破。6在n~IO11CnT2時,顯示這樣的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出U~100,OOOcm2V4S'盡管石墨烯中實現(xiàn)的U得出接近I Pm的1,但是迄今還沒有這種等級的彈道效應(yīng)報道。
[0004]研究有源傳輸(active transport)若干年之后,對于石墨烯中電子-電子(“e-e”)相互作用的了解仍然甚少。由于e-e相互作用對薄層電阻的貢獻較小,所以常規(guī)晶體管結(jié)構(gòu)中e-e相互作用的直接測量需要復(fù)雜的分析[Kozikov]。兩個緊密排列(closelyspaced)的石墨烯薄片的傳輸特性觀察結(jié)果可以闡明許多新的相互作用現(xiàn)象,包括例如激子凝聚[MacDonald]。這些 作用之一(電子拖曳(electron drag))證實在GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)中是非常有用的工具[Gramila,Sivan]。因為該拖曳是由兩種二維電子氣(“2DEG”)的電子密度波動之間的擴散引起的,所以其為層內(nèi)密度激發(fā)(density excitation)和層間電子-電子相互作用的探針。
[0005]本發(fā)明根據(jù)上述考慮而設(shè)計。
[0006]US2007/0187694針對一種晶體管器件,其通過石墨烯層外延沉積到六方BN層上和BN層外延沉積到石墨烯層上而形成。
[0007]US2009/029759描述了一種堆疊結(jié)構(gòu),其由石墨烯外延沉積到六方BN上而形成。
[0008]然而,盡管在上述專利中有這種結(jié)構(gòu)的明顯討論,但是在本發(fā)明之前,這個概念斷然仍僅僅作為理論概念。事實上,在US2009/029759和US2007/0187694公開時,石墨烯外延生長到BN上是在任何地方都尚未實現(xiàn)的方法。因此,它們二者都是理論應(yīng)用而并沒有在實際上付諸實施。事實上,從這些文獻中顯然的是,使用其中描述的方法無法獲得上文提到的應(yīng)用所涉及的器件。該觀點被Liu等人更近期的論文(Direct Growth of Graphene/Hexagonal Boron Nitride Stacked Layers ;Liu, Z.;Song,L ;Zhao, J.;Ma,L ;Zhang, J.;Lou, J.;Ajayan ;P.M.;Nan0.Lett.;2011 ;11 ;2032_2037.)證實,該論文顯然首次描述石墨烯沉積在六方BN上和六方BN沉積在石墨烯上。但是,該論文仍有不足,并且所生產(chǎn)的材料是作為一個整體(因為并非BN-石墨烯復(fù)合物)被科學(xué)界廣泛接受。對該論文和早期專利的主要評論之一是作者并未實際擁有該材料,而僅僅是對該材料可能結(jié)構(gòu)和特性進行推測。然而,如由許多為了獲得該材料的不成功嘗試所證明的,BN (特別是六方BN)上石墨烯的生長是不可預(yù)知并且難以實現(xiàn)的。本發(fā)明已首次成功地提供可以被生產(chǎn)和表征的BN-石墨稀結(jié)構(gòu)。
[0009]例如,在現(xiàn)實中,當(dāng)嘗試形成結(jié)構(gòu)時,本發(fā)明發(fā)現(xiàn)主要問題之一涉及這樣的事實:hBN上石墨烯的沉積可導(dǎo)致許多含有捕獲的被吸附物(推測是烴)的“氣泡”。這可嚴重影響石墨烯的電子特性和作為一個整體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)有技術(shù)中甚至沒有考慮這個問題。然而,如果這種氣泡存在于器件的有源部分中,則將導(dǎo)致顯著的電荷不均勻性并且有效致使器件失效。本發(fā)明已經(jīng)克服了該問題和其它問題。
[0010]本發(fā)明解決的一個問題在于提供根據(jù)本發(fā)明的第一方面的異質(zhì)結(jié)構(gòu)并且還提供包含該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的器件。US2009/029759和US2007/0187694 二者都沒有解決這個問題。用來獲得這些新結(jié)構(gòu)的方法也代表本專利所解決技術(shù)問題的一部分。
[0011]發(fā)明概沭
[0012]本發(fā)明的第一方面可以提供:
[0013]石墨稀異質(zhì)結(jié)構(gòu),其具有:
[0014]第一封裝層;
[0015]第二封裝層;和
[0016]布置在第一封裝層與第二封裝層之間的石墨烯層。
[0017]上文中使用的術(shù)語石墨烯包括“原始的”(即,未經(jīng)過化學(xué)改性的)石墨烯以及功能化的石墨烯二者。因此形成頂部和/或底部電極的單個石墨烯層可以是石墨烯或功能化的石墨烯。石墨烯還可以通過物理手段(例如熱處理)來改性。在下文中,為了簡潔起見,本發(fā)明將石墨烯和改性石墨烯二者統(tǒng)一簡稱為石墨烯。
[0018]通過以這種方式封裝石墨烯層,使石墨烯層較不易受其環(huán)境影響,并且可以導(dǎo)致石墨烯具有提高的電荷載流子遷移率U,細節(jié)參見實驗I。因此,本發(fā)明的第一方面可以提供石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其具有100,OOOcm2V-1S-1或更大的電荷載流子遷移率U,優(yōu)選地在室溫下(例如,20°C)。
[0019]優(yōu)選地,第一封裝層包括氮化硼,更優(yōu)選地是第一封裝層為氮化硼。更優(yōu)選地,第一封裝層包括六方氮化硼,更優(yōu)選地是第一封裝層為六方氮化硼。例如,第一封裝層可以是六方氮化硼晶體。
[0020]優(yōu)選地,第二封裝層包括氮化硼,更優(yōu)選地是第二封裝層為氮化硼。更優(yōu)選地,第二封裝層包括六方氮化硼,更優(yōu)選地是第二封裝層為六方氮化硼。例如,第二封裝層可以是六方氮化硼晶體。
[0021]六方氮化硼優(yōu)選地作為第一封裝層和第二封裝層的材料,因為其可充當(dāng)石墨烯的原子級平滑且惰性的基底。發(fā)現(xiàn)利用六方氮化硼作為第一封裝層和第二封裝層導(dǎo)致石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)尤其表現(xiàn)出Ium的室溫彈道傳輸距離和高電荷載流子遷移率U,即使在室溫下也是如此,細節(jié)參見實驗I。認為理論上除六方氮化硼以外的材料(例如氧化鋁)也可用作第一封裝層和/或第二封裝層。然而,不優(yōu)選這些其它的材料,因為它們不如氮化硼平坦和/或不具有氮化硼所具有的其它有用特性。
[0022]優(yōu)選地,石墨烯層直接相鄰第一封裝層,即它們之間沒有其它層。優(yōu)選地,第二封裝層直接相鄰石墨烯層,即它們之間沒有其它層。
[0023]在一個實施方案中,石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以包括第二石墨烯層。這使得能夠形成更復(fù)雜的器件,包括集成電路的晶體管的若干個層。在該實施方案中,石墨烯層成為第一石墨烯層。第一封裝層可以在第一石墨烯層與第二石墨烯層之間?;蛘?,第二封裝層可以在第一石墨烯層與第二石墨烯層之間。在另一個實施方案中,石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括第三封裝層。以這種方式,可以構(gòu)造石墨烯層與封裝層的交替層的夾心結(jié)構(gòu)。每種情況中的封裝層可以是不同的材料或者它們可以是全部相同的。
[0024]優(yōu)選地,在適當(dāng)時,第二石墨烯層直接相鄰第一封裝層或第二封裝層,即它們之間沒有其它層。優(yōu)選地,第三封裝層直接相鄰第二石墨烯層,即它們之間沒有其它層。
[0025]第一封裝層和/或第二封裝層的厚度可以約等于10nm。第一封裝層和/或第二封裝層的厚度可以為I至1000個BN原子層。
[0026]每個石墨烯層優(yōu)選地為單個石墨烯片,即優(yōu)選為一個原子厚度。但是,石墨烯層也可以包括多個石墨烯片。例如,石墨烯層可以包括兩個石墨烯片(所謂的“雙層石墨烯”)乃至三個石墨烯片(所謂的“三層石墨烯”)。認為,超過三個石墨烯片,石墨烯層電子特性的有用性變低。因此,石墨烯層優(yōu)選地包括不多于三個石墨烯片。然而,當(dāng)石墨烯可大于三個原子層厚度時,石墨烯層可以包括結(jié)構(gòu)特征和局部缺陷。在其中有多個石墨烯層的實施方案中,每個石墨烯層的厚度與其它石墨烯層的厚度無關(guān)。
[0027]優(yōu)選地將石墨烯層成形,例如通過去除層的一部分(例如通過蝕刻,例如通過電子束光刻和/或氧等離子體蝕刻)以形成結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)可以包括一個或更多個用于連接該結(jié)構(gòu)與外部器件的接觸區(qū)。例如,所述結(jié)構(gòu)可以是霍爾棒(hall bar)結(jié)構(gòu),但是同樣可能是其它結(jié)構(gòu),例如,所述結(jié)構(gòu)可以簡單地為單一導(dǎo)電軌道?;魻柊艚Y(jié)構(gòu)是公知的,并且在下文中描述的實驗中舉例說明了一些實施例。霍爾棒結(jié)構(gòu)可以使得石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性能夠被研究,參見例如實驗I。在具有多個石墨烯層的實施方案中,可以將一個或更多個石墨烯層成形。
[0028]石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以包括一個或更多個觸點(contact),例如,金屬觸點,例如用以連接石墨烯層與外部電子器件。所述一個或更多個觸點均可布置在一個或更多個單獨接觸區(qū)中,所述接觸區(qū)包括在石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中(見上文)。
[0029]優(yōu)選地,第二封裝層相對于石墨烯層對準,以便第二封裝層只覆蓋石墨烯層的一部分,優(yōu)選使得包括在石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中的一個或更多個接觸區(qū)(見上文)不被第二封裝層覆蓋。這使得在第二封裝層沉積在石墨烯層上之后,能夠?qū)⒁粋€或更多個觸點沉積在包括在石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中的一個或更多個接觸區(qū)上,例如通過光刻(例如電子束光刻)。
[0030]石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以包括在其上布置第一封裝層的基底。在一個實施方案中,第一封裝層直接相鄰所述基底,即它們之間沒有其它層。所述基底優(yōu)選地包括硅晶片,優(yōu)選例如經(jīng)氧化的硅晶片使得基底具有厚度為約等于IOOnm的Si02。
[0031]例如,石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可具有約等于Iym的寬度。
[0032]本發(fā)明的第一方面還可提供制備石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法,所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有:
[0033]第一封裝層;
[0034]第二封裝層;和
[0035]布置在第一封裝層與第二封裝層之間的石墨烯層。
[0036]該方法可包括一個或更多個任選的另外的步驟,以包括一個或更多個另外的層。因此,可將另外的石墨烯層添加至通過上述方法獲得的經(jīng)封裝石墨烯結(jié)構(gòu)。
[0037]該方法可以包括任意實施或?qū)?yīng)于本發(fā)明第一方面相關(guān)地描述的任意裝置特征的方法步驟。
[0038]例如,該方法可以包括:
[0039]將石墨烯層沉積在第一封裝層上;和
[0040]將第二封裝層沉積在石墨烯層上,使得石墨烯層布置在第一封裝層與第二封裝層之間。
[0041]作為另一個實例,第一封裝層優(yōu)選包括氮化硼,更優(yōu)選地是第一封裝層為氮化硼。更優(yōu)選地,第一封裝層包括六方氮化硼,更優(yōu)選地是第一封裝層為六方氮化硼。例如,第一封裝層可以是六方氮化硼晶體。同樣,第二封裝層優(yōu)選包括氮化硼,更優(yōu)選地是第二封裝層為氮化硼。更優(yōu)選地,第二封裝層包括六方氮化硼,更優(yōu)選地是第二封裝層為六方氮化硼。例如,第二封裝層可以是六方氮化硼晶體。
[0042]作為另一個實例,石墨烯層優(yōu)選地沉積為使得其直接相鄰第一封裝層。同樣,第二封裝層優(yōu)選地沉積為使得其直接相鄰石墨烯層。
[0043]作為另一個實例,第一封裝層和/或第二封裝層可以沉積成具有I至1000個六方氮化硼原子層的厚度。
[0044]作為另一個實例,石墨烯層優(yōu)選地沉積成單個石墨烯片,即使得其優(yōu)選地為一個原子的厚度。這不包括當(dāng)石墨烯可大于一個原子層厚度時的結(jié)構(gòu)特征和缺陷。
[0045]作為另一個實例,該方法優(yōu)選地包括將石墨烯層成形以形成結(jié)構(gòu),所述將石墨烯層成形例如通過去除層的一部分(例如通過蝕刻,例如通過電子束光刻和/或氧等離子體蝕刻)。該成形優(yōu)選地在石墨烯層沉積之后但第二封裝層沉積之前進行。或者,可以在沉積過程中將石墨烯層成形,即在沉積之前成形或生長為某一形狀。所述結(jié)構(gòu)可以包括用于將該結(jié)構(gòu)連接至外部器件的一個或更多個接觸區(qū)。例如,在石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)可以是霍爾棒結(jié)構(gòu),但是同樣可能是其它結(jié)構(gòu),例如,該結(jié)構(gòu)可以簡單地為單一導(dǎo)電軌道?;魻柊艚Y(jié)構(gòu)是公知的,并且在下文描述的實驗中舉例說明了一些實施例。霍爾棒結(jié)構(gòu)可以使得石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性能夠被研究,參見例如實驗I。
[0046]作為另一個實例,該方法可包括沉積一個或更多個觸點(例如金屬觸點),例如以連接石墨烯層與外部電子設(shè)備。可以將所述一個或更多個觸點沉積在(即,使得它們布置在)一個或更多個包括在石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中的一個或多個接觸區(qū)(見上文)上。所述一個或更多個觸點可以例如通過電子束光刻沉積。
[0047]作為另一個實例,該方法可以包括將第二封裝層相對于石墨烯層對準,使得第二封裝層只覆蓋石墨烯層的一部分,優(yōu)選地使得一個或更多個包括在石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中的接觸區(qū)(見上文)不被第二封裝層覆蓋。優(yōu)選地,將第二封裝層在其沉積在石墨烯層之前對準,例如使用光掩模對準器(optical mask aligner)。[0048]作為另一個實例,該方法可以包括將第一封裝層沉積在基底上。其優(yōu)選地在沉積石墨烯層和沉積第二封裝層之前進行。第一封裝層優(yōu)選地沉積使得其直接相鄰基底。所述基底可包括例如電介質(zhì)層和導(dǎo)體層。該基底可以是例如硅晶片,優(yōu)選經(jīng)氧化的硅晶片,例如使得基底具有SiO2絕緣層。
[0049]第一封裝層可機械地沉積在基底上,例如通過本領(lǐng)域熟知的技術(shù)——剝離(機械剝離)。
[0050]雖然在下文列出的實驗中,石墨烯和氮化硼是從大塊晶體上機械剝離的,但是該技術(shù)并不很適合于大規(guī)模的實施。根據(jù)所選擇的石墨烯和氮化硼制造工藝,所述層序列可以是在彼此的頂部生長或者由單獨制造的層組裝。例如,根據(jù)本發(fā)明的第二方面,可以將石墨烯層沉積在第一封裝層上。
[0051]同樣,根據(jù)本發(fā)明第二方面的方法,可以將第二封裝層沉積在石墨烯層上,例如使用前體結(jié)構(gòu),所述前體結(jié)構(gòu)包括布置在載體層上的第二封裝層,該方法包括:
[0052]將前體結(jié)構(gòu)沉積在石墨烯層上,使第二封裝層面向石墨烯層(并且因此載體層背向石墨稀層);和
[0053]隨后(S卩,將前體結(jié)構(gòu)沉積在表面上之后)從第二封裝層去除載體層。該方法可以包括本發(fā)明的第二方面中描述的或與之相關(guān)的任意另外的步驟。
[0054]該方法優(yōu)選地包括在沉積所述層中的任一個或更多個之后(特別地在沉積石墨烯層和第二封裝層中的任一個或更多個之后),清潔石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),例如,通過退火,例如在約等于300°C的溫度下和/或在氬-氫氣氛中,例如以便去除殘留物和/或其它污染物。
[0055]本發(fā)明的第二方面可以提供:
[0056]使用前體結(jié)構(gòu)將材料層沉積在表面上的方法,所述前體結(jié)構(gòu)包括布置在載體層上的材料層,該方法包括:
[0057]將前體結(jié)構(gòu)沉積在所述表面上,使材料層面向表面(并因此載體層背向表面);和
[0058]隨后(即在將前體結(jié)構(gòu)沉積在所述表面上之后)從材料層上去除載體層。
[0059]通過以這種方式使用前體結(jié)構(gòu),可以精確地將非常薄的材料層(例如,材料層可具有IOnm或更小的厚度)沉積在表面上。
[0060]當(dāng)用于形成石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)時,該方法特別有利。因此,該方法可以是使用前體結(jié)構(gòu)將材料層沉積在表面上以形成石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。所述表面可以是存在的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面。已經(jīng)提供了該方法可以如何與本發(fā)明第一方面和第二方面的異質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)地使用的解釋。
[0061]與常規(guī)技術(shù)相比,可優(yōu)選該方法來沉積材料層以形成石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),因為例如,用于沉積材料層以形成石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的常規(guī)技術(shù)(例如,剝離法)可能難以與所述層對準和/或引起污染。
[0062]材料層可為適合于形成石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料/厚度。例如,材料層可以是石墨烯或六方氮化硼。材料層的厚度可以例如為IOnm或更小。
[0063]所述前體結(jié)構(gòu)可能是薄、易碎(delicate)和/或有彈性。因此,前體結(jié)構(gòu)在表面上的沉積可以包括使用支撐件(例如,金屬框架)拾取(pick up)前體結(jié)構(gòu)。
[0064]為了實現(xiàn)精確的對準,前體結(jié)構(gòu)可以在沉積于表面上之前相對于該表面對準,例如,具有約等于2 u m的精確度。[0065]載體層可以通過任意適合的技術(shù)去除,優(yōu)選蝕刻。因此,載體層優(yōu)選地選擇為可蝕刻的,例如可溶的。載體層可以是可通過蝕刻(例如使用丙酮)去除的聚合物,例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(“PMMA”)。
[0066]載體層的去除可能留下殘留物和/或其它污染物。因此,該方法優(yōu)選地包括在去除載體層之后,清潔包括沉積材料層的結(jié)構(gòu),例如通過將結(jié)構(gòu)退火,例如在約等于300°C的溫度下和/或在氬-氫氣氛中,例如以便去除殘留物和/或其它污染物。
[0067]如上文已解釋的,該方法可用于在根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法中形成一個或更多個層和/或在根據(jù)第二發(fā)明的方法中形成一個或更多個層。
[0068]該方法可包括在前體結(jié)構(gòu)沉積在表面上之前制備前體結(jié)構(gòu)。
[0069]前體結(jié)構(gòu)的制備可以包括,例如:
[0070]將載體層沉積在犧牲載體層上;
[0071]將材料層沉積在載體層上;和
[0072]去除犧牲載體層以便將包括載體層和材料層的前體結(jié)構(gòu)與犧牲載體層分離。
[0073]前體結(jié)構(gòu)的制備可包括首先將犧牲載體層沉積在基底上,例如使載體層和/或材料層沉積同時犧牲載體層布置在基底上。因此,去除犧牲載體層可將包括載體層和材料層的載體層前體結(jié)構(gòu)與犧牲載體層和基底分離。
[0074]本文中,基底的使用可以是有利的,因為其提供了可在其上沉積載體層和材料層的初始表面。
[0075]優(yōu)選地,使用載體層對其具有抵抗性的技術(shù)來去除犧牲載體層。更優(yōu)選地,使用載體層對其具有抵抗性的試劑通過蝕刻來去除犧牲載體層。犧牲載體層和/或載體層可以是不同的聚合物,例如易受不同的蝕刻試劑影響。例如,犧牲載體層可以是聚甲基戊二酰亞胺(“PMGI”),載體層是聚(甲基丙烯酸甲酯)(“PMMA”)。因此,犧牲載體層可以通過蝕刻(例如使用PMMA對其有抵抗性的弱堿性溶液)來去除。隨后,例如可以使用丙酮從材料層去除PMMA0
[0076]本發(fā)明的第二方面可提供上述前體結(jié)構(gòu),即包括布置在載體層上的層或材料的前體結(jié)構(gòu)。所述前體結(jié)構(gòu)可以具有上述特征的任一種。
[0077]本發(fā)明的第二方面可以提供制備上述前體結(jié)構(gòu)的方法。該制備前體結(jié)構(gòu)的方法可以包括,例如:
[0078]將載體層沉積在犧牲載體層上;
[0079]將材料層沉積在載體層上;和
[0080]去除犧牲載體層以便將包括載體層和材料層的前體結(jié)構(gòu)與犧牲載體層分離。
[0081 ] 本發(fā)明的第二方面可以提供在該方法中形成的中間體結(jié)構(gòu),例如具有以下的中間體結(jié)構(gòu):布置在犧牲載體層上的載體層;和布置在載體層上的材料層。所述中間體結(jié)構(gòu)可以具有任何上述特征,例如犧牲載體層可以布置在基底上。
[0082]在另一個方面,本發(fā)明可以提供用于包括前述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子電路中的電子組件。所述電子組件可以是:例如,霍爾探針;例如,場效應(yīng)晶體管(例如如圖41中所描繪的);晶體管(例如如圖42中所描繪的);光電組件如光電檢測器、可變電容器或RF晶體管(例如如圖51中所描繪的)。
[0083]在另一個方面,本發(fā)明可提供包括前述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子器件。該電子器件可以是:例如液晶顯示器(例如如圖45中所描繪的);例如觸摸屏、太陽能電池、應(yīng)變儀或氣體傳感器(例如如圖51中所描繪的)。
[0084]本文中,“約等于”優(yōu)選地指等于不大于50%、40%、30%、20%、10%、5%、2%、或1%的百
分比差異(或“誤差”)的程度。
[0085]本發(fā)明還包括所述方面和所述優(yōu)選特征的任意組合,除非該組合明顯不可能或明確避免。
[0086]在下文中參照附圖討論了本發(fā)明建議的實施方案,在附圖中:
[0087]圖1 (a)涉及實驗1,其為石墨烯-氮化硼(GBN)器件的光學(xué)顯微圖。
[0088]圖1 (b)涉及實驗1,其示出作為GBN器件的背柵電壓'的函數(shù)的0,以標準的四探針幾何構(gòu)型測量。
[0089]圖2 (a)涉及實驗1,其示出與圖1 (b)相同的器件在不同T下的彎曲電阻。
[0090]圖2 (b)(插圖)涉及實驗1,其示出霍爾交叉(Hall cross)的原子力顯微圖。
[0091]圖2 (b)(主圖)涉及實驗1,其示出具有頂柵的器件的Rb(n)。
[0092]圖3 (a)涉及實驗1,其示出固定的n ^ 6X IO11CnT2的Rb(B)。
[0093]圖3 (b)涉及實驗1,其示出以50K和250K測量的霍爾電阻(Hall resistance)Rh。
`[0094]圖3 (b)(插圖)涉及實驗1,其示出圓角的理論上得到的Rh(B)。
[0095]圖4 (a)涉及實驗2,其為多層樣品的器件示意圖。
[0096]圖4 (b)涉及實驗2,其為多層樣品的光學(xué)圖像。
[0097]圖4 (C)涉及實驗2,其示出量子電容(圓圈)和不同間隔物厚度模擬(實線)的實驗結(jié)果。
[0098]圖5 (a)涉及實驗2,其示出在對稱情況下作為層間電壓(實線)的函數(shù)的拖曳。
[0099]圖5 (b)涉及實驗2,其示出在非對稱情況下的拖曳電阻。
[0100]圖5 (C)涉及實驗2,其示出作為背柵電壓的函數(shù)的Rdrag。
[0101]圖6涉及實驗2,其示出不同Vint下拖曳電阻的溫度依賴性。
[0102]圖6 (插圖)涉及實驗2,其示出三個不同溫度下的Rdrag(Vint)。
[0103]圖7涉及實驗2,其示出以對數(shù)坐標表示的Rdrag(n)。
[0104]圖8至圖54是有關(guān)本文所公開的發(fā)明信息的幻燈片。
[0105]實驗1:室溫下封裝的石墨烯中微米級彈道傳輸?shù)碾两觟正據(jù)
[0106]由六方氮化硼中封裝的石墨烯制備的器件表現(xiàn)出明顯的負彎曲電阻和反常的霍爾效應(yīng)(Hall effect),這是寬范圍載流子濃度的微米級室溫彈道傳輸?shù)闹苯咏Y(jié)果。
[0107]本發(fā)明認為在尋找石墨烯的新現(xiàn)象和應(yīng)用中重要的是繼續(xù)提高石墨烯的電子質(zhì)量(其通常表征為電荷載流子遷移率U )。通過在經(jīng)氧化的硅晶片的頂部進行機械剝離獲得的石墨烯通常表現(xiàn)出U~10,OOOcm2AT1S'就典型的載流子濃度n 1012cm_2而言,該質(zhì)量轉(zhuǎn)換成平均自由程l=(h/2e) u (n/nr 5約為lOOnm,其中h是普朗克常數(shù),e為電子電荷。另一方面,如果消除石墨烯中的非本征散射,則其在室溫(T)下的遷移率可以達到~200,OOOcm2W1s'這是由電子-聲子弱相互作用引起的。盡管已經(jīng)有報道稱在石墨烯中獲得的U可以接近I Pm,但是實際上這種等級的彈道效應(yīng)迄今未見報道。
[0108]在該實驗中,本發(fā)明描述了由夾在兩個hBN晶體之間的石墨烯制成的器件。如由在彎曲幾何構(gòu)型中所測量的負傳輸電阻所直接證明的,該器件表現(xiàn)出超過Iu m的室溫彈道傳輸距離。如由器件對柵極電壓的響應(yīng)確定的,在低n?IO11CnT2時,器件表現(xiàn)出遷移率U >100, OOOcm2V-1S'即使在室溫下也是如此。此外,I隨著n的增加持續(xù)增長,并且在較高n?IO12CnT2時,發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的器件的縱向?qū)щ娐蕂變得受其寬度w?I U m限制而非在大塊中的散射限制。由彎曲電阻Rb的測量結(jié)果,估計封裝的石墨烯在低溫T下可表現(xiàn)出y?500, OOOcm2V-1S-1和(在IO12Cm-2時),其在質(zhì)量上可以與最好的懸浮器件相媲美。此外,封裝使得石墨烯不易受環(huán)境影響,并且使得能夠使用hBN作為超薄頂柵電介質(zhì)。
[0109]所研究樣品(本發(fā)明還將其稱為石墨烯氮化硼(GBN)異質(zhì)結(jié)構(gòu))是通過使用以下多步驟技術(shù)制造的。首先,將比較厚的(?IOnm) hBN晶體機械地沉積在經(jīng)氧化的硅晶片(IOOnm的SiO2)的頂部。然后,通過在另一個基底上剝離生產(chǎn)亞毫米級石墨烯晶體,并且通過使用對準操作將石墨烯晶體轉(zhuǎn)移到所選擇的hBN晶體頂部,所述對準操作類似于在 Dean, C.R.;Young, A.F.;Meric, 1.;Lee, C.;ffang, L.;Sorgenfrei, S.;ffatanabe, K.;Taniguchi, T.;Kim, P.;Shepard, K.L.;Hone, J.Boron nitride substrates forhigh-quality graphene electronics Nature Nan0.2010,5,722-726 中所描述的。
[0110]采用電子束光刻和氧等離子體蝕刻來限定石墨烯霍爾棒(參見圖1、圖2中的圖像)。石墨烯在hBN上的沉積導(dǎo)致許多包含被截留吸附物(推測為烴)的氣泡,并且如果這種氣泡存在于本發(fā)明器件的有源部分中,則引起顯著的電荷不均勻。這限制了 w可達到?I U m,因為本發(fā)明嘗試將中央線安裝在無氣泡的區(qū)域內(nèi)。
[0111]小心地將第二 hBN晶體(?IOnm厚)與封裝的石墨烯霍爾棒對準,但保留接觸區(qū)開放用于沉積金屬(Au/Ti)觸點。在一些器件中,頂部的hBN晶體被用作用于局部控制的電介質(zhì)。在每個轉(zhuǎn)移步驟之后,將該器件在氬-氫氣氛中于300°C退火,以去除聚合物殘留物和其它污染物。
[0112]圖1 (a)是本發(fā)明的GBN器件之一的光學(xué)顯微圖。等離子體蝕刻導(dǎo)致數(shù)納米高的hBN臺面,其可以通過使用微分干涉對比可視化。為了提高臺面的可視性,其輪廓通過細灰線示出。斜虛線表示頂部hBN晶體的邊緣。圖1 (b)示出在兩個T (實曲線)下測量的
O(Vg)。虛曲線是通過使用Landauer-Buttiker公式和通過w=l ii m的量子線的傳輸概率數(shù)值模型計算的O。在該計算中,本發(fā)明假設(shè)擴散性邊界散射和石墨烯塊在230K和4K時的本征平均自由程分別為Ii=L 5 y m和3 y m,它們是由如下文所述Rb的測量值推斷的值。
[0113]圖1 (b)示出以標準的四探針幾何構(gòu)型測量的作為GBN器件背柵電壓Vg的函數(shù)的
O。O的最小值發(fā)生在Vg?-0.1V,表明極小的非本征摻雜(?IOltlCnT2X在小空穴濃度n?IO11CnT2時,o (Vg)的斜率在4K和室溫T下可分別得出y?140,OOOcmW1和100,000(在低n時,電子的ii約低30%)。所述值與所測量的霍爾遷移率(Hallmobility)相一致。一般,在低n時,本發(fā)明的GBN器件表現(xiàn)出U為20,OOOcmW1至150,OOOcmW1,在大多數(shù)情況下傾向于100,OOOcm2AT1S'圖1(b)的另一個顯著特征是o (Vg)的相對弱的T依賴性,這是出乎意料的,因為預(yù)計電子-聲子散射開始在這種質(zhì)量的石墨烯中起重要作用。此外,O (Vg)的強次線性行為對于以四探針幾何構(gòu)型測量的石墨烯而言不同尋常。如下文所示,這些特征都與受邊界散射限制的電子傳輸相關(guān),使得o=2e2/h(kFl) ocni/2ocVgi/2,其中I?w,并且因此與T的相關(guān)性弱。如果通過本發(fā)明器件(?3 U m長)的估計傳輸概率Tr,則也可以理解邊界散射的重要性。為此,量子電導(dǎo)的標準Landauer-Buttiker公式G=(4e2/3i h) (kFw) Tr在高n時可得出Tr ^ 0.3至0.5,這表明為準彈道傳輸。
[0114]為了獲得關(guān)于GBN塊的電子質(zhì)量的其它信息,本發(fā)明研究了彎曲電阻Rb。為此,在觸點2與I之間施加了電流I21并在探針3與4之間測量電壓V34 (見圖2),可得出Rb=Rm,21=V34/I21。不同的彎曲構(gòu)造(例如,Ra23和R32,14)得出類似的Rb(Vs)。對于擴散導(dǎo)體,Rb應(yīng)等于ln2/ O。范德堡(van der Pauw)公式使用擴散近似值,并且可以精確地描述標準質(zhì)量石墨烯的Rb(Vs)。然而,在本發(fā)明的高U器件中這種形式完全失效。事實上,Rb變?yōu)樨撝?,這表明比方說從觸點2注入的大多數(shù)電荷載流子可以到達觸點4而不被散射。在基于GaAlAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)和所需li?w的高ii 二維氣體中觀察到這種違反直覺的負電阻,其中Ii是所述塊的平均自由程。這標志著可能有由于以前質(zhì)量不足而在以前不可能的電荷載流子彈道傳播。
[0115]圖2 (a)示出與圖1 (b)相同的器件在不同T下的彎曲電阻。曲線從底部到頂部分別對應(yīng)2K、50K、80K、110K、140K、200K和250K。虛曲線是使用o (Vg)和范德堡(van derPauw)公式計算的Rb。圖2 (b)(插圖)示出本發(fā)明的霍爾交叉之一的原子力顯微圖。尺寸是根據(jù)器件的寬度w~Iym給出的。該附圖示意性地描繪了彎曲測量幾何構(gòu)型和在隨后的微細加工階段沉積穿過其中一條導(dǎo)線的狹窄的頂柵(以紅色表示)。圖2 (b)(主圖)示出具有這樣的頂柵的器件的Rb(n)??梢酝ㄟ^施加頂柵電壓Vtg (其產(chǎn)生額外的勢壘和反射電子)來抑制負Rb。
[0116]與圖1(b)中的標準幾何構(gòu)型測量結(jié)果相反,圖2(a)中的&表現(xiàn)出非常強的T依賴性,與對高U石墨烯的預(yù)期一致。8盡管有這種額外的聲子散射,但是對于所有的250K而言在高n的情況下,Rb保持為負值并且沒有接近在擴散區(qū)域(diffusive regime)中期望的柵依賴性(圖2 (a)中的虛曲線)。這個觀察結(jié)果得出在室溫T下Ipw~Iii m,這是觀察負Rb必要的條件。Rb的強T依賴性也意味著Ii隨著T的降低而顯著地提高。彈道傳輸通過霍爾交叉的補充證 據(jù)來自具有置于穿過電位引線之一的額外勢壘的器件(圖2 (b))。當(dāng)將電壓施加于窄頂柵時,勢壘將載流子反射回到該交叉,并且因此抑制負Rb。另外,注意到,在本發(fā)明可以從線性依賴性。Vg確定U (如~140,OOOcmW1)的低n區(qū)域(I VgI〈0.5V)時,如所預(yù)期的,RB保持為正,因為相應(yīng)的ll=(h/2e) u (n/ )°_5≤0.5 u m不足以引起負RB。
[0117]為了闡明本發(fā)明的GBN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的微米級彈道傳輸,圖3 (a)示出作為磁場B之函數(shù)的Rb,磁場B以固定的Vg(在這種情況下為+3V)垂直于石墨烯施加。正如預(yù)期,隨著B的增加,Rb改變其符號,因為注入的電子由B彎曲并且不再能夠到達相反的彈道觸點。圖3 Ca)中的特征場B。為~0.1T,其對應(yīng)于回旋加速器軌道半徑匕=h(nn)mp,m,其等于w,與理論值一致(在這種情況下,n~6X10ncm-2)。此外,預(yù)期彈道傳輸將引起霍爾電阻Rh的異常行為,使其不再是B的線性函數(shù)。事實上,圖3 (b)示出本發(fā)明的器件在相同的特征性Btl表現(xiàn)出具有顯著彎曲(kink)的非線性Rh(B)。該異常通常被稱為最后的平頂(last plateau)并且在擴散系統(tǒng)中不存在。該彎曲在室溫T下幾乎消失(圖3 (b)),表明本發(fā)明更接近了擴散區(qū)域。Rh(B)的函數(shù)形式強烈的依賴于霍爾交叉的精確形狀,并且如果交叉具有尖角,那么異常變得較小,與本發(fā)明器件中的情況一樣(參見圖2 (b)中的圖像)。
[0118]負Rb的磁場行為在Rh中是異常的并且頂柵的影響明白地證明:在本發(fā)明的霍爾交叉中,電荷載流子可以到達相反的彈道引線而沒有散射。這得出在觀察到大的負Rb(In≤2X10nCm_2)時,就所有的I Vg| >1V而言,I大于Iy m。為了理解如此大的I值,本發(fā)明提到在懸浮器件4和在BN上的石墨烯中,僅在低n~IO11CnT2下報道了超高y,其轉(zhuǎn)換為亞微米級的I,4并且在低T下,僅在具有百萬y的懸浮器件中實現(xiàn)了 I~lum。
[0119]圖3涉及磁場中的彈道傳輸。圖3 (a)示出固定n ^ 6X IO11CnT2下的Rb⑶。T(從曲線底部到頂部,分別)為50K、80K、110K、140K、200I^P 250K。插圖:使用彈球模型7(billiard-ball model)針對霍爾交叉計算并且適用于本發(fā)明的石墨烯器件和上述n的情況的Rb(B)。圖3 (b)示出以50K和250K測量的霍爾電阻Rh。圖3 (b)(插圖)示出圓角的理論上得到并且適用于本發(fā)明的情況的Rh(B)。插圖中的紅線表示擴散界限。 [0120]對于li>w,邊界散射使得O僅與石墨烯的塊質(zhì)量弱相關(guān),并且為了獲得與上述剛剛> Ium的Ii相比更好的估計,本發(fā)明采用了數(shù)值模擬。本發(fā)明采用彈球模型(Beenakker, C.ff.J.;van Houten, H.Billiard model of a ballistic multiprobeconductor.Phys.Rev.Lett.1989,63,1857-1860)并且假設(shè)擴散性邊界散射來計算RB。如果散射假設(shè)是鏡面的,則所計算的Rb不能達到實驗觀察的大的負值。這與一般的預(yù)期一致:蝕刻石墨烯的邊緣一般是粗糙的并且擴散地散射。擴散邊界散射降低了彈道導(dǎo)線的O(傳輸概率降低),但是由于準直效應(yīng)(collimation effect)使得Rb更負。這與本發(fā)明的實驗結(jié)果相一致,本發(fā)明的實驗結(jié)果示出:空穴具有較高的O (更大彈道性),但是電子的Rb更負,反之亦然(參見圖1和圖2)。這種不對稱可以歸因于電子在邊界擴散中較大程度的擴散性,其意味著打破邊界電子-空穴的對稱的額外的電荷。在擴散性散射的假設(shè)下,就
n I >2 X IO11Cnr2 (I Vg I >1V)而言,所測量的RB得出在室溫T下Ii ^ 1.5iim并且在50K以下時,盡管確切的值是通過使用數(shù)值模型和假設(shè)擴散邊界推測得出的,但是這種大的Ii對定性地解釋大的負Rb及其強T依賴性兩者是必要的(例如,IiSlym可能與這些觀察結(jié)果不一致)。推測得出的Ii還使得能夠理解O的行為及其弱T依賴性,并且圖1b中的虛曲線示出在相同模型和參數(shù)下計算的O (Vg)。
[0121]最后,本發(fā)明注意到,就n 4X 10ncm_2而言,此時Rb達到其最負的值,Ii ^ 3 u m意味著本征U~500,OOOcm2V-1S'這與從在顯著較低n ^ I X 10ncm_2(此時電荷不均勻性保持顯著)的場效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的U~lSO’OOOcn^V—1^相一致。后者的區(qū)域?qū)?yīng)于K 0.5并且不允許負的Rb,與該實驗結(jié)果一致。為了通過使用標準場效應(yīng)測量來確認上述在高n下的U,可能需要w>5ym的GBN器件,這是迄今未能實現(xiàn)的,因為所提到的導(dǎo)致電荷不均勻性的氣泡。
[0122]總之,封裝在hBN中的石墨烯表現(xiàn)出強彈道傳輸,其具有大的負遷移電阻和在低T下超過~3 u m的平均自由程。遠離中性點,(就載流子濃度大于IO11CnT2而言),本發(fā)明I U m寬器件的縱向傳導(dǎo)率變得受樣品邊界處的擴散散射限制。所展示的石墨烯氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)是相對于先前已報道器件的進一步改進,并且示出用以在基底上實現(xiàn)石墨烯的百萬遷移率的方式。
[0123]實驗2:非弱相互作用雙層BN-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的庫侖拖曳(Coulomb drag)
[0124]在該實驗中,觀察多層氮化硼/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造。所開發(fā)的技術(shù)允許將石墨烯封裝在兩個六方BN晶體之間同時保持載流子遷移率高達10m2/Vs。示出了兩個緊密排列的、獨立地接觸石墨烯層的傳輸研究結(jié)果。由于小層間分離,庫倫拖曳表現(xiàn)出不同尋常的行為,超出了先前研究的弱相互作用區(qū)域的范圍。
[0125]研究有源傳輸若干年之后,對石墨烯中電子-電子相互作用的了解仍然甚少。由于其對薄層電阻的貢獻較小,所以常規(guī)晶體管結(jié)構(gòu)中的電子-電子相互作用的直接測量需要復(fù)雜的分析。兩個緊密排列的石墨烯薄片傳輸特性的觀察結(jié)果可以闡明各種新的相互作用現(xiàn)象,包括例如激子凝聚。電子拖曳是由在兩個二維電子氣(“2DEG”)的電子密度波動之間的散射引起的并且是層內(nèi)密度激發(fā)和層間電子-電子相互作用的探針。
[0126]在該實驗中,本發(fā)明報告了高質(zhì)量BN/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)并且研究了它們的傳輸特性。通過與GaAs/AlGaAs的雙量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)進行類比,在本發(fā)明的樣品中發(fā)現(xiàn)了拖曳效應(yīng)。然而,在GaAs樣品中,兩個量子阱之間的間隔物被漏電流限制為約?7.5nm,并且量子阱大小本身通常為?15nm,這使得2DEG中心之間的距離為至少為20nm。所給出的技術(shù)使得兩個石墨烯層之布置更近了約一個數(shù)量級,相隔只有幾納米厚的BN晶體,同時保持漏電流微乎其微。本發(fā)明通過在兩層之間施加電壓,能夠?qū)崿F(xiàn)高至2* IO12的載流子濃度。因此,在與常規(guī)Si背柵(其主要影響底層)組合時,頂層(nt)和底層(nb)的濃度可以獨立控制。所報道技術(shù)的另一個優(yōu)點是高至室溫下本發(fā)明的樣品的高遷移率,這是由于這樣的事實:石墨烯層僅與化學(xué)惰性且原子級平整的六方氮化硼片接觸。化學(xué)惰性且原子級平整的六方氮化硼片的使用是本發(fā)明作為一個整體的一個重要特征,而不僅僅是該實驗成功的重要因素。
[0127]樣品制造始于使用標準的機械剝離技術(shù)[PNAS]將BN晶體沉積在Si/Si02晶片頂部上。然后,本發(fā)明選擇一個干凈并且均勻的BN片并且將一個大的石墨烯晶體轉(zhuǎn)移至其頂部上。在使用氧等離子體蝕刻將該石墨烯薄片成形為霍爾棒之后,再將幾個層厚的BN間隔物轉(zhuǎn)移至其上。間隔物是對準的,使得其只覆蓋霍爾棒結(jié)構(gòu)而不覆蓋石墨烯“引線”(參見圖4(a))。最后,轉(zhuǎn)移頂部的石墨烯層,接著進行標準的觸點沉積。因為底部薄片的部分仍是開放的,所以可以在一個電子束光刻運行中將觸點做到兩個層上。頂層也可以通過仔細的蝕刻成形,接著是底層的臺面結(jié)構(gòu)。每個轉(zhuǎn)移階段之前在Ar/H2中于300°C退火幾個小時以清潔表面。
[0128]圖4 (a)是多層樣品的器件示意圖。在圖4 (a)中描繪的層順序如下:厚BN下層(藍色)、底部石墨烯(灰色)、薄BN間隔物(紅色)和頂部石墨烯層(深灰色)。
[0129]圖4 (b)是多層樣品的光學(xué)圖像。紅線表示BN間隔物的邊緣。盡管在這些條件下,BN上的石墨烯的對比度消失,但是由于BN下層的部分蝕刻可以看見底部霍爾棒。比例尺為5 y m。
[0130]圖4 (C)示出不同間隔物厚度下的量子電容(圓圈)和模擬(實線)的實驗結(jié)果。
[0131]轉(zhuǎn)移步驟涉及將標準薄片沉積在Si/PMGI/PMMA堆疊體(stack)的頂部,接著通過在弱堿性溶液中蝕刻去除PMGI脫模層剝離PMMA膜。在此步驟中,具有薄片的頂部PMMA表面保持干燥。然后,將該膜拾取在支撐件(金屬環(huán))上,對準并面朝下放置在目標基底上。使用精度為約2 u m的光學(xué)掩模校準器來進行對準。在轉(zhuǎn)移之后,將PMMA載體膜溶解于丙酮中。經(jīng)轉(zhuǎn)移的薄片的退火常常伴有有機物質(zhì)和氣體物質(zhì)的微小氣泡形成,因此進行光刻來將霍爾棒(hall-bar)置于這些氣泡之間。
[0132]本發(fā)明已經(jīng)研究了具有不同間隔物厚度(d)(2nm、2.8nm、3.6nm)的三種樣品。雖然樣品顯示了非常相似的性能,但是為了在沒有明顯泄露的情況下獲得較高的載流子濃度,本文中示出的大多數(shù)結(jié)果已經(jīng)在較厚的器件上測量過。對于最厚的器件,穿過BN夾層的泄露小偏壓下無法檢測到(> IGQ ),并且在0.6V下漏電流指數(shù)上升至約InA。對器件表面的AFM研究確定各層為平坦的,并且均勻間隔,RMS粗糙度低于I ▲。每個結(jié)構(gòu)與底層具有10
個觸點,并且與頂部具有至少6個觸點。底層的載流子遷移率(最高為ISm2V-1S-1)優(yōu)于頂部的載流子遷移率(2.SmW1至Sm2V-1 S—1)。
[0133]層間間隔物的良好質(zhì)量使得本發(fā)明能夠在石墨烯層之間使用電壓Vint以控制電荷密度。與主要影響底層的背柵一起,可以實現(xiàn)頂層濃度(nt)和底層濃度(nb)的不同組合。然而,載流子密度不再是電壓Vint的線性函數(shù)。
[0134]為了對此進行探索,已經(jīng)研究了本發(fā)明的器件的電容(圖4(c))。這已經(jīng)通過根據(jù)霍爾效應(yīng)測量電荷載流子濃度n (Vinte)來完成:n=eB/RH (其中,B為磁場,Rh為霍爾電阻)。然后通過微分:C =得電容(每單位面積)。只要在石墨烯片中存在一種類型的載流子(即,不太接近NP),該方法就是有效的。圖4 (c)中顯示的結(jié)果表明對于帶有金屬板的電容器,C并不是如預(yù)期那樣的恒定。偏差是由源于石墨烯中低電荷載流子濃度和作為
串聯(lián)電容操作的量子電容Cq所導(dǎo)致的。在T=O并且忽略無序性的情況下,C =—,
q tivr V n
其中vF=l.1.1OfWc是費米速度。總電容是C= (2/Cq+d/ e e。)-1,其中e =4.8為BN的介電常數(shù),而系數(shù)2是因為本發(fā)明具有兩個由石墨烯制成的板的事實。使用厚度作為唯一的擬合參數(shù),本發(fā)明獲得d為約4nm,其與AFM測量的結(jié)果一致。
[0135]這里,e=4.8 是 AC 值,其中 vF 取值 1.1 XlO6。
[0136]因為2DEG很接近,所以在每層電子密度波動之間的散射事件中出現(xiàn)動量轉(zhuǎn)移。驅(qū)動電流Ia在多個層(有源)之一中流通導(dǎo)致在其它層(無源)中產(chǎn)生拖曳電流。在兩個層具有相同的載流子類型(n-n,p-p)的情況下,這兩種電流具有相同的方向,并且在n-p (p-n)結(jié)構(gòu)的情況下,電流的方向相反。因此,開路結(jié)構(gòu)中的拖曳電阻Rtag=Vp/Ia在n-n (p-p)情況下為負,在p-n(n-p)情況下為正,并且如果多個層之一具有零平均濃度則拖曳電阻為零。
[0137]由于在本發(fā)明的器件中觀測到可以忽略的固有摻雜(估計),所以對于兩個層而言零柵極電壓導(dǎo)致ef=0。然后,向頂層施加恒定電壓Vint (底層接地),產(chǎn)生符號相反的相等電荷密度n=nt=-nb。對于拖曳測量而言,底層用作有源層,并且頂層用作無源層,但是有源層與無源層互換并不顯著改變拖曳電阻(5%以內(nèi))。如所預(yù)期的,測量的拖曳電阻不依賴于驅(qū)動電流(在20K以上最高至0.5 ii A),并且在AC/DC兩者的設(shè)置中相同。
[0138]圖5 (a)示出了對稱情況下n=nt=_nb的作為層間電壓的函數(shù)的拖曳(實線)。虛線示出了 B=0.5T下,頂層的Rxy(相同的Vint標度,垂直標度未示出)。水平點線表示Rxy=O。曲線圖分別示出了底層和頂層的費米能級。T=124K。
[0139]圖5 (b)示出在非對稱情況下的拖曳電阻:在載流子類型相同的兩個層中都為負值(黑色曲線-空穴,紅色-電子),并且p-n(n-p)構(gòu)型情況下為正值。該圖涉及藍色曲線。T=124K。
[0140]圖5 (C)示出在不同Vint下,作為背柵電壓的函數(shù)的RdMg。T=IlOK0該圖涉及黑色曲線。
[0141]圖5 Ca)示出當(dāng)Vbad5=O,即n=nt=-nb時,作為層間電壓Vint的函數(shù)測量的Rdrag。在電子中性(EN)點Vint=O時,空間的不均一性將石墨烯裂解成隨機熱彌散的電子-空穴坑系統(tǒng)[Yacoby]并且平均Rdrag接近零。隨著產(chǎn)生更多彌漫濃度(inform concentration), Rdrag突然上升,達到最大,然后由于屏蔽引起的層間相互作用減弱而降低。
[0142]為了估測在Vint中的非均勻區(qū)域有多大,本發(fā)明測量了頂層的Rxy,其中遷移率較低(圖5 (a)中的虛線)。Rxy的最大值和最小值對應(yīng)于從均勻濃度區(qū)域(當(dāng)Rxy應(yīng)降低為I/n時)至非均勻區(qū)域(其中由于有限的溫度和潛在的無序,存在兩種類型的載流子)的交叉。它們的位置(由在Vint=±0.05V的豎直的點線表示)幾乎準確匹配拖曳電阻Rdrag的峰(在圖中以豎直的點線表示)。因此,本發(fā)明認為,RdMg (Vint)的中央深處與低能量的氣體的非均勻性直接相關(guān)。
[0143]當(dāng)施加有限的背柵電壓Vbadt時,這兩個層都具有相同類型的載流子:拖曳電阻為負值,如圖5(b)所示。引入Vint將增加一個薄片中的濃度并且耗盡其它薄片中的濃度。最終,這些層之一的EN點將會與費米能級相匹配,在該點,Rdrag將會改變符號通過O。這種轉(zhuǎn)變的大小再次與無序性有關(guān)。因為在這些層中的遷移率不同,兩個轉(zhuǎn)變是不對稱的。
[0144]拖曳電阻也可以作為Vbadt的函數(shù)來測量。圖5 (C)示出不同載流子類型組合的這樣的測量結(jié)果:Vint=0mV、50mV、_100mV。由于部分屏蔽,背柵電壓以不同的方式影響兩層中的濃度,并且由于其對稱地限定濃度nt、nb以及直觀的清晰性,本發(fā)明建議進一步探究類似于圖5 (a)中給出的測量結(jié)果。
[0145]圖6示出就不同Vint而言,拖曳電阻的溫度依賴性。實線示出對應(yīng)于2次冪的斜率。圖6 (插圖)示出在三個不同溫度下的Rdrag(Vint)。
[0146]因為庫倫拖曳源自層間散射過程,所以其是由散射事件中可利用的相位空間所決定的。文獻中施加于石墨烯的庫倫拖曳的一般理論是基于其中屏蔽的層間相互作用
依賴于波矢量0和頻率w的二階攝動理論(perturbation theory)。對于彈道
區(qū)域而言,當(dāng)平均自由程I?d (這無疑是本發(fā)明實驗條件的情況)時,拖曳電阻率可以估計為:
f, T\2 ?
[0147]PdCC」;(I)
KtjF J q
[0148]圖6的插圖示出了實驗T與拖曳效應(yīng)的相關(guān)性:RdMg隨著溫度的下降而減小,在T約為30K時進入介觀區(qū)域。不同層間電壓值的提取Rdrag (T)以對數(shù)坐標示于圖6中。在實驗精度的范圍內(nèi),曲線是線性的,在高濃度時斜率Y接近2。
[0149]認為,平方差相關(guān)性可以源于例如輔助拖曳機制。存在兩種可能的附加拖曳機制:虛聲子和等離子體拖曳增強。另一可能的原因是由于C (T)或kBT所引起的載流子濃度的變化。
[0150]現(xiàn)在討論在T2下,系數(shù)的濃度相關(guān)性。就相同石墨烯層而言,屏蔽層間的相互作用可以由下面的一般表達式獲得:
[0151]
TJ (g
丨- ,2[vr(《)T7(《,r,j)]2 sinh(qd)-^ [I + 2vr{q)T\{q,rt;)]exp(^/)
[0152]其中,石墨烯的極化函數(shù)n(q,co)可以從文獻中獲取,并且裸庫侖相互作用的傅里葉分量 ve(q) (Fourier component of the bare Coulomb interaction)應(yīng)從本發(fā)明的幾何構(gòu)型的靜電問題的解決方案獲得。就具有介電常數(shù)分布的三域介質(zhì)而言:
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其具有: 第一封裝層; 第二封裝層;和 布置在所述第一封裝層與所述第二封裝層之間的石墨烯層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中所述第一封裝層和/或所述第二封裝層是六方氮化硼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中所述石墨烯層直接相鄰所述第一封裝層,并且所述第二封裝層直接相鄰所述石墨烯層。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中所述石墨烯層是單個石墨稀片。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中使所述石墨烯層成形以形成結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括一個或更多個觸點,所述一個或更多個觸點中的每一個布置在一個或更多個相應(yīng)的接觸區(qū)上,所述接觸區(qū)包括在形成于所述石墨烯層中的結(jié)構(gòu)中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中所述第二封裝層相對于所述石墨烯層對準,使得所述第二封裝層只覆蓋所述石墨烯層的一部分,使得包括在所述石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中的一個或更多個接觸區(qū)不被所述第二封裝層覆蓋。
8.根據(jù)前述權(quán)利要 求中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括在其上布置有所述第一封裝層的基底。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)還包括第二石墨稀層。
10.一種制備石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法,所述方法包括: 將石墨烯層沉積在第一封裝層上;和 將第二封裝層沉積在所述石墨烯層上,使得所述石墨烯層布置在所述第一封裝層與所述第二封裝層之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中通過剝離將所述第一封裝層沉積在所述基底上。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法,其中使用前體結(jié)構(gòu)將所述石墨烯層沉積在所述第一封裝層上,所述前體結(jié)構(gòu)包括布置在載體層上的所述石墨烯層,所述方法包括: 將所述前體結(jié)構(gòu)沉積在所述第一封裝層上,所述石墨烯層面向所述第一封裝層;和 隨后,從所述石墨烯層去除所述載體層。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項所述的方法,其中使用前體結(jié)構(gòu)將所述第二封裝層沉積在所述石墨烯層上,所述前體結(jié)構(gòu)包括布置在載體層上的所述第二封裝層,所述方法包括: 將所述前體結(jié)構(gòu)沉積在所述石墨烯層上,所述第二封裝層面向所述石墨烯層;和 隨后,從所述第二封裝層去除所述載體層。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項所述的方法,其中所述方法包括在沉積任一個或更多個所述層之后,通過退火清潔所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
15.—種使用前體結(jié)構(gòu)將材料層沉積在表面上的方法,所述前體結(jié)構(gòu)包括布置在載體層上的所述材料層,所述方法包括: 將所述前體結(jié)構(gòu)沉積在所述表面上,使所述材料層面向所述表面;和 隨后,從所述材料層去除所述載體層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其中所述材料層的厚度為IOnm或更小。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法,其中所述方法是使用前體結(jié)構(gòu)將材料層沉積在表面上以形成石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中任一項所述的方法,其中所述材料層是石墨烯或六方氮化硼。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15至18中任一項所述的方法,其中將所述前體結(jié)構(gòu)沉積在所述表面上包括使用支撐件拾取所述前體結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19中任一項所述的方法,其中在將所述前體結(jié)構(gòu)沉積在所述表面上之前將其相對于所述表面對準。
21.根據(jù)權(quán)利要求15至20中任一項所述的方法,其中通過蝕刻去除所述載體層。
22.根據(jù)權(quán)利要求15至21中任一項所述的方法,其中所述方法包括在去除所述載體層之后,通過退火清潔所述包括所沉積的材料層的結(jié)構(gòu)。
23.根據(jù)權(quán)利要求15至22中任一項所述的方法,其中所述方法用于形成根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項所述的方法中的一個或更多個層。
24.根據(jù)權(quán)利要求15至23中任一項所述的方法,其中所述方法包括通過以下來制備所述前體結(jié)構(gòu): 將所述載體層沉積在犧牲載體層上; 將材料層沉積在所述載體層上;和 去除所述犧牲載體層以將包括所述載體層和所述材料層的前體結(jié)構(gòu)從所述犧牲載體層分離。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法,其中所述方法包括首先將所述犧牲載體層沉積在基底上,使得在所述犧牲載體層布置在所述基底上的同時沉積所述載體層和/或材料層。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的方法,其中使用所述載體層對其具有抵抗性的技術(shù)去除所述犧牲載體層。
27.一種前體結(jié)構(gòu),其包括布置在根據(jù)權(quán)利要求25至26中任一項所述的載體層上的層或材料。
28.—種制備根據(jù)權(quán)利要求24至26中任一項所述的前體結(jié)構(gòu)的方法。
29.一種根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法形成的中間結(jié)構(gòu)。
30.一種用在電子電路中的電子元件,其包括前述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
31.一種電子器件,其包括前述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
32.—種石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu),其基本上如參考附圖并且如附圖所示的本文中描述的任一個實施方案所述。
33.一種前體結(jié)構(gòu),其基本上如參考附圖并且如附圖所示的本文中描述的任一個實施方案所述。
34.一種中間體結(jié)構(gòu),其基本上如參考附圖并且如附圖所示的本文中描述的任一個實施方案所述。
35.一種方法,其基本上如參照附圖并且如附圖所示的本文中描述的任一個實施方案所述。
【文檔編號】H01L29/16GK103493204SQ201280019817
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月22日
【發(fā)明者】A·K·海姆, K·S·諾沃肖洛夫, R·V·戈爾巴喬夫, L·A·波諾馬連科 申請人:曼徹斯特大學(xué)