Litografija be kaukės ir grafeno laidumo vizualizacija in situ naudojant helio jonų mikroskopiją | mokslinės ataskaitos

Litografija be kaukės ir grafeno laidumo vizualizacija in situ naudojant helio jonų mikroskopiją | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Elektroninės savybės ir įtaisai
  • Grafeno sintezė

Anotacija

Dėl nepaprastų grafeno mechaninių ir elektroninių savybių jis yra idealus kandidatas į naujos kartos nanoelektroniką. Neseniai plėtojant komercinio lygio vieno krištolo grafeno sluoksnius, pagerėjo galimybė gaminti buitinius grafeno pagrindu pagamintus prietaisus, tačiau vis dar išlieka rimtų iššūkių, susijusių su grafeno modeliavimu įrenginiuose. Grafeno, palaikomo ant pagrindo, atveju, gaminant grafeno nanoribonus, dažnai naudojami tradiciniai nanofabrikacijos metodai, tokie kaip elektroninių pluoštų litografija (EBL), tačiau dėl daugiapakopių procesų, kurių jiems reikia, grafenas gali būti užterštas rezistais ir tirpikliais. Šiame laiške mes nurodome helio jonų litografijos nuskaitymo naudingumą gaminant grafeno nanokonduktorius, kurie yra tiesiogiai palaikomi ant silicio dioksido sluoksnio, ir išmatuojame mažiausią elementų dydį, kurį galima pasiekti dėl apribojimų, kuriuos sukelia šiluminiai svyravimai ir jonų sklaida malimo proceso metu. . Be to, parodome, kad jonų pluoštai dėl jų teigiamo įkrovimo pobūdžio gali būti naudojami stebint ir tikrinant grafeno pagrindu pagamintų nanoelektroninių prietaisų laidumą vietoje .

Įvadas

Nuskaitymo helio jonų mikroskopija (SHIM) ir jonų frezavimas (atliekamas tuo pačiu instrumentu) tapo įrankiu, galinčiu gaminti grafeno įtaisus 1, 2, kurių bruožų dydis yra iki ~ 5 nm 3 . Komerciniai SHIM dabar gali jonus malti nanoskalėje naudojant He + arba Ne + . Be to, kaip „He +“ frezavimo būdui kaip tiesioginio pagaminimo metodo naudoti nereikia jokių atsparumų, kūrimo ar plovimo funkcijų, kad būtų galima pagaminti savybes, tačiau galima pasiekti panašių ar mažesnių nei EBL elementų dydžius. Mažesnis helio jonų pluošto ir mėginio sąveikos tūris sąlygoja mažesnį artumo efektą, palyginti su EBL, ir pagerina purškiamąjį derlių paviršiniame 1 sluoksnyje. Mūsų eksperimento metu buvo pagamintos paprastos grafeninės struktūros, susidedančios iš juostelės ir padėklo (1 pav.), Naudojant tokią tiesioginės rašymo litografiją 1 SHIM (žr. Skyrių „Metodai“), grafeną sumažinus prie instrumento, kad būtų galima kompensuoti nuostolius antrinių elektronų. Kvadratas (arba trinkelė) išlydomas, paliekant tik ploną juostelę, jungiančią mentelę su likusiu grafenu aplink padėkliuką. Plona juostelė veikia kaip laidininkas tarp suplanuoto grafeno ploto ir frezuoto padėklo.

Image

(Viršuje kairėje) Nelaidus grafeno padas dėl nepakankamo elektronų tiekimo per ploną laidžią grafeno juostelę (~ 10 nm). (Vidurinis kairysis) Mažas laidumas grafeno padėklyje, nes laidžiosios juostelės plotis padidėja iki 12 nm. Šiluminis triukšmas taip pat pastebimas trinkelėje. (Apačia kairėje) Visiškai laidus grafeno padas, kurio laidžiosios juostelės plotis yra 14 nm. (Dešinysis skydelis) SEM vaizdai iš tų pačių struktūrų, rodančių, kad grafeno trinkelėse (viršuje ir dešinėje) nėra pakankamai elektronų, yra kompensuojami elektronų pluoštu. Mastelio juosta yra 50 nm.

Visas dydis

Kintant juostelės ilgį ir plotį, o tada vaizduojant visą struktūrą, galime tiesiogiai stebėti, kaip keičiasi elektros laidumas, atsižvelgiant į trinkelės ryškumą. Kai jonų pluoštas patenka į trinkelę, antriniai elektronai yra išmetami iš padėklo, sukuriant reikšmingą grynąjį teigiamą krūvį ant padėklo. Skirtingai nei skenavimo elektronų mikroskopu (SEM), teigiamai įkrautas jonų pluoštas negali kompensuoti prarastų antrinių elektronų. Nors grafeno darbo funkciją galima suderinti per įkrovos neutralumo tašką naudojant elektrinio lauko efektą 4 ir dopingą 5, šį suderinamumą galima pasiekti SHIM sistemoje, tiesiogiai atimant elektronus iš grafeno, prarandant antrinius elektronus vaizdavimo metu. Taigi, jei įtaisas, esantis įrenginio centre, nėra įžemintas, nes grafeno juostelė prastai veda, kompensaciniai elektronai gali netekti į trinkelę. Dėl to sumažės grafeno darbo funkcija ir vėliau sumažės antrinių elektronų išeiga, todėl vaizdas bus tamsesnis. Šis poveikis gali būti naudojamas prietaisų laidumui patikrinti vietoje , tokiu būdu leidžiant įvertinti grafeno laidininko kokybę. Be to, SHIM teikia precedento neturintį didelio kontrasto vaizdus dėl mažesnio nuotolio ir didesnio jonų generuojamo antrinio elektrono (iSE) išeigos 6 . Taigi, modeliuotų grafeno konstrukcijų elektrinis laidumas buvo tiriamas vietoje , keičiant kiekvieno prietaiso jungiamųjų juostų dydį ir plotį.

Rezultatai

1 paveiksle pavaizduota „He +“ frezuotų grafeno pagalvėlių (kairiajame skydelyje) iSE vaizdų, gautų atlikus gamybos procesą, serija. Atitinkami SEM vaizdai iš tų pačių prietaisų (dešiniajame skydelyje) buvo naudojami tiesiogiai palyginti vaizdo gavimo su neigiamai įkrautu pluoštu efektus. 1a pav., Tamsioji sritis „iSE“ vaizde rodo sritį, kurioje yra mažas elektronų tankis. Nors prietaisą supanti sritis išlieka ryški, mažo elektronų tankio sritis įrenginyje rodo, kad jungiamoji juostelė (~ 10 nm) neteršia pakankamo elektronų srauto į prietaisą. Be to, kadangi jonų pluoštas yra nuskaitomas rastriniu prietaisu, teigiamo krūvio kaupimasis paviršiuje neleidžia išstumti pakankamai energetinių antrinių elektronų, kad būtų galima juos aptikti 7 . Kita vertus, SEM vaizdas nenurodo šio efekto dėl to, kad nepakankamas elektronų tiekimas iš juostelės į įrenginį yra kompensuojamas neigiamu elektronų pluošto krūviu. Nors šiuo instrumentu neįmanoma tiesiogiai išmatuoti srovės per juostelę, mes galime netiesiogiai išmatuoti juostos srovę. Kompensacinė srovė į sceną ir sijos srovė matuojamos tiesiogiai; atimant tuos įverčius antrinę elektronų srovę. Dauguma 30 keV He + ne neutralizuoja grafeno dėl jų greičio, bet neutralizuoja giliau Si plokštelėje. Apskritai šios juostos kompensuoja prarastus antrinius elektronus ir praleidžia maždaug 1 pA. Perėjimas nuo ryškios iki tamsios atsiranda tada, kai juostelė nebegali pernešti 1 pA. Padidinus juostelės plotį iki 12 nm (1b pav.), Į prietaisą patenka daugiau elektronų ir jų pakanka, kad būtų galima išvengti antrinių elektronų praradimo dėl veikiančio jonų pluošto. Taigi prietaisas laidus ir parodytas padidėjus ryškumui, palyginti su 1a pav.

Ypatingas susidomėjimas yra subtilus triukšmas, esantis 1b pav. Šis triukšmas yra visur paplitęs, esant tam tikroms sąlygoms, ir jis atsiranda tik vaizdo padėklo srityje. Šis vaizdo triukšmas gali būti priskiriamas grafeno įtaiso šiluminiam triukšmui ar virpesiams, dėl kurių jis gali svyruoti natūraliu dažniu. Teoriniai modeliavimai, atlikti anksčiau Sachaee-Pour ir kt. 8, ir Ansari et al. 9, parodė, kad 50 nm kvadratinio SLG lakšto natūralus dažnis yra apie 3 GHz. Padalinus ją į 500 nm kvadratinį SLG, natūralus dažnis būtų apie 30 MHz (arba 33 ns laikotarpis). Apsvarsčius būdus, kaip vibracija gali paveikti elektronų pernešimą ir vaizdo ryškumą, siūloma sujungti prietaiso, juostelės ir aplinkinio lapo vibracinius režimus. Šios susietos vibracijos keičia momentinę juostos elastinę konfigūraciją, kuri atsiranda kaip netvarkingas elektronų išsibarstymo potencialas ir lemia juostos 10 elektrinio laidumo pasikeitimą. Tai savo ruožtu sukelia elektronų srauto kitimą juostelėje, o tai daro įtaką vaizdo funkcijai ir ryškumui. Ilgesnio periodo (μs) svyravimas gali būti paaiškintas dviejų dviejų išsigimusių laisvųjų virpesių režimų, kuriuos modifikuoja jungtis prie juostelės, ritmais,

Image

kur sukabinimo stipris λ gali būti apytikslis pagal juostos ir padėklo dydžio santykį, arba λ = 10 −2, dėl kurio sumušimo laikotarpis yra maždaug 3 μs, išlaikymo trukmės aptikimo diapazone (50 μs). Be to, šis triukšmas (kambario temperatūroje) gali apriboti mažiausius elementų dydžius, kurie gali būti naudojami grafeno schemoms, palaikomoms SiO 2, kurios mūsų atveju yra ~ 10 nm. Šis triukšmas neatspindi elektronų pasiskirstymo padėkle - veikiau šis triukšmas atspindi momentinį juostos laidumą tuo metu, kai renkamas taškas. 1c paveikslas, kuris atitinka 16 nm juostos plotį, yra visiškai ryškus. Tai rodo pakankamą elektronų tiekimą iš aplinkinio grafeno ploto į frezuotą padėkliuką, nėra triukšmo, taigi ir visiškai laidus prietaisas.

Buvo ištirta antros klasės grafeno įtaisai, siekiant ištirti laidžiosios juostelės ilgio įtaką. Šie įtaisai buvo pagaminti taip, kad apimtų du mažesnius (i ir ii) regionus, kurie buvo visiškai izoliuoti elektra, kad būtų sukurti laidūs ir izoliuojantys kompozitai. Kaip ir 1 pav., Tiesioginiai palyginimui buvo naudojami atitinkami SEM vaizdai (2 pav., Dešinysis skydelis). Taip pat akivaizdu, kad ilgą laiką veikiant grafeno įtaisui elektronų pluoštas yra pažeidžiamas pluošto. 2a pav., Jungiamojo tilto plotis yra ~ 12 nm, tačiau dėl padidėjusio ilgio ir galimo vibracijos poveikio jis atrodo nelaidus, kaip ir prietaisas 1a pav. 2 paveiksle (b – c) parodytas prietaiso progresas link laidumo (pradedant nuo ~ 18 nm), tuo tarpu i ir ii subregionai išlieka izoliuoti. Kaip ir 1b pav., Vaizdo triukšmas, esantis tiesiog padėkle, rodo šiluminius prietaiso svyravimus ir rodo, kad juostos elektrinės savybės labai priklauso nuo jos pločio. Avouris ir bendradarbiai 11 ištyrė grafeno nanoribonų, pagamintų iš EBL, pločio mažinimo įtaką lauko efekto tranzistorių prietaisų elektrinėms savybėms. Mažiausias grafeno nanodalelių plotis, pasiektas jų metodu, buvo 20 nm. Jų rezultatai parodė, kad sumažėjus nanodalelių pločiui, kambario temperatūroje padidėjo jo maksimalus atsparumas. Šis efektas buvo priskirtas dėl išsibarstymo, kuris įvyko nelygiose nanoribono ribose, ir netobulumų atominėje skalėje. Mūsų eksperimente mažiausias trumpesnės juostelės 10 nm plotis ir ilgesnės juostos 12 nm plotis rodo tą patį poveikį grafeno pagalvėlių laidumui.

Image

(I) ir (ii) zonos yra atskirtos prietaiso grafeno sritys. (Viršuje kairėje) Nelaidus grafeno padas dėl nepakankamo elektronų tiekimo per ploną laidžią grafeno juostelę (~ 12 nm). (Vidurinis kairysis) Mažas laidumas grafeno padėklyje, nes laidžiosios juostelės plotis padidėja iki 18 nm. Šiluminis triukšmas taip pat pastebimas trinkelėje. (Apačia kairėje) Visiškai laidus grafeno padas, kurio laidžiosios juostelės plotis yra 20 nm. (Dešinysis skydelis) SEM vaizdiniai iš tų pačių struktūrų, rodančių, kad nepakankamas elektronų kiekis grafeno pagalvėse (viršutinėje ir vidurinėje) yra kompensuojamas elektronų pluoštu. Mastelio juosta yra 50 nm.

Visas dydis

Kalbant apie atskirus ryškius kraštus 2b, c pav., Juos galima priskirti prie frezuotų briaunų topografijos ir orientacijos į prietaisą, palyginti su Everharto-Thornley (ET) antriniu elektronų detektoriumi. Taigi išmetami antriniai elektronai neturės vienodos tikimybės, kad juos surenka kiekvienas kietasis kampas. Taip pat reikėtų pažymėti, kad šį laidumą in situ galima pastebėti mikronų dydžio įtaisuose (žr. Papildomus paveikslėlius S1 ir S2 internete), kad būtų pabrėžtas šios technologijos mastelio keitimas.

Ilgesnio laidumo grafeno juostelės su skirtinga geometrija buvo pagamintos tuo pačiu metodu, siekiant ištirti jų efektyvumą ilgesnių ilgių skalėse (mikronų ilgio skalėje). 3 paveiksle pavaizduoti palaikomi grafeno įtaisai su ilgesnėmis juostelėmis, kurios buvo pagamintos naudojant Ne + pluoštą. „Ne + “ frezavimo efektyvumas yra maždaug 8 kartus didesnis už joną, palyginti su He +, ir jis gali malti didesnius plotus per trumpesnį laiką. „Ne +“ sija buvo naudojama siekiant užtikrinti, kad didelės konstrukcijos būtų kuo greičiau sumaltos per trumpiausią įmanomą laiką, kad būtų išvengta mėginio pasklidimo. Be to, teigiamas Ne + spindulio krūvis užtikrina tiesioginį to paties teigiamo įkrovimo efekto stebėjimą grafeno įrenginyje. Nors 3 pav. (Kairioji ir vidurinė plokštės) juostos geometrija yra netiesinė, padėklas išlieka laidus dėl vielos trūkumų. Dėl laido defektų laidžiojo kanalo pertraukimai gali trukdyti elektronams patekti į grafeno padėkliuką (žr. Papildomą S3 pav. Internete). Šie vaizdai rodo, kad šis metodas gali būti naudojamas didelėms, sudėtingoms ir savavališkoms struktūroms gaminti, iš karto gaunant grįžtamąjį ryšį apie kokybę.

Image

(Kairysis skydelis) iSE laidžiojo grafeno padėklo su L formos laidžiąja juostele vaizdas. Laidžiančios juostos plotis yra ~ 100 nm. (Dešinysis skydelis) iSE laidžios grafeno pagalvėlės su U formos laidžia juostele vaizdas. Juostelės plotis yra ~ 250 nm. Mastelio juosta yra 1 μm.

Visas dydis

Diskusija

Mažiausias funkcijų dydis, kurį galima pasiekti naudojant SHIM, yra kelių veiksnių rezultatas. Rastrinės skenavimo priemonės yra tipinės instrumentinio dreifo ir elektronikos stabilumo problemos. Čia aprašytas SHIM yra švariame kambaryje, bet nėra mažo triukšmo mikroskopijos rinkinys, be abejo, patiria tam tikrą mechaninį triukšmą. Šiai technikai taip pat būdingos sijos formos ir jonų atgalinės sklaidos, kurios sukuria didesnį pluošto ir pagrindo sąveikos tūrį, nei numatyta. Mažiausias čia nurodytas jungiamųjų juostų plotis greičiausiai nustatomas atsižvelgiant į trūkumų tankį juostų kraštuose, kuriuos savo ruožtu lemia jonų, išeinančių iš apšviestos srities, per netobulą sijos profilį (uodegos), tankis. arba atsitraukimas. Mūsų eksperimentai rodo, kad labai trumpai juostelei mažiausias plotis yra apie 10–12 nm. Ilgesnėms juostoms mažiausias plotis padidėja, nes juostos varža iš dalies atsiranda dėl visų defektų sumos išilgai juostos. Šis eksperimentas turi papildomą apribojimą, nes kaip fokusuoto jonų pluošto technika prietaiso kokybė priklauso nuo operatoriaus įgūdžių suderinti ir fokusuoti instrumentą.

Grūdų ribos, dažniausiai pasitaikančios CVD užaugintame grafene, taip pat gali paveikti grafeno laidumą 12, 13 . Mūsų eksperimente grafeno augimo sąlygos 14 buvo pasirinktos taip, kad grafeno domenai būtų didesni nei 100 μm, tai yra daugiau kaip 2 laipsniais didesni nei būdingi paruoštų prietaisų matmenys. Kai kuriuose didesniuose plotuose grūdų ribos atrodo kaip raukšlės ir raukšlės ir jų buvo išvengta prieš frezavimą darant trumpą (~ 0, 5 μs) ploto vaizdą. Kiekviename gaminyje taip pat gali būti mažesnių grūdelių (mažesnių nei 10 nm) ir jie nutraukia balistinį pernešimą. Tai nėra lengva pastebėti HIM dėl vaizdo jautrumo apribojimų. Nors šios mažų grūdų ribos sukels tam tikrą pasipriešinimą, jos nėra izoliuojančios ir mažai tikėtina, kad turės įtakos bendram pagamintų įtaisų elgesiui, nes elgesys, kurį mes stebime čia, ne visiškai priklauso nuo balistinio transporto, bet nuo bendro laidumo. Galiausiai taip pat reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad mūsų grafeno ant SiO 2 mėginio paruošimo būdas neatmeta galimybės, kad iš likusių PMMA rezistentų gali būti teršalų, kurie gali būti po perkėlimo ir atkaitinimo proceso (žr. Skyrių „Metodai“). Tačiau ne CVD grafenui ar bet kuriai 2D medžiagai, paruoštai nereikia pernešti naudojant polimerą, šis metodas gali visiškai pašalinti nereikalingą tirpiklių ir atsparumo poveikiui poveikį.

Apibendrinant, mes parodėme, kad teigiamai įkrautos SHIM jonų pluoštai gali būti naudojami gaminant įrenginius palaikomame grafene ant izoliatoriaus ir tada nustatant tokių prietaisų laidumą in situ . Mažiausias laidžiosios juostelės plotis, pasiekiamas atliekant nuskaitymo helio jonų litografiją, yra ribojamas sujungtų vibracijos režimų, atsirandančių dėl šiluminių svyravimų įrenginyje. Elektros laidumą per palaikomą grafeno juostelę riboja juostos plotis. Kaip tiesioginio pagaminimo būdas, helio jonų litografija bus tinkamiausias grafeno pagrindu pagamintų schemų ir įtaisų, mažesnių ar palyginamų su EBL, modeliavimo būdas ir pašalins daugiapakopių procesų, susijusių su EBL, poreikį.

Metodai

CVD grafenas ant SiO 2

Vieno sluoksnio grafenas buvo susintetintas Vlassiouko ir kt. Metodu . 14, 15 Trumpai tariant, į polimerizuotą 125 μm storio vario foliją buvo įdėta atmosferos slėgio CVD reaktorius ir atkaitinta 1065 ° C temperatūroje, esant 2, 5% H2 srautui Ar 30 minučių. Grafeno augimas buvo atliekamas pridedant metano, palaipsniui didinant koncentraciją nuo 10 iki 20 iki 40 ppm 30 minučių kiekviename žingsnyje. Po auginimo Microchem PMMA 495A4 tirpalas buvo suverptas 2000 aps / min greičiu ant grafeno viršaus ant varinės folijos. Grafenas iš galinės vario pusės buvo išgraviruotas deguonies plazma, o varis buvo ištirpintas 1 M FeCl3 3% HCl. Grafeno / PMMA sumuštinis, plaukiojantis ant vandens paviršiaus, buvo nuplautas DI vandeniu ir perkeltas ant SiO2 substrato. PMMA buvo ištirpinta acetone, po to atkaitinama 550 ° C temperatūroje, kad būtų pašalintos PMMA liekanos.

Nuskaitymo helio jonų mikroskopija ir litografija

Nuskaityta helio jonų mikroskopija ir litografija ant vieno sluoksnio grafeno buvo atlikta naudojant Zeiss ORION Nanofab He / Ne jonų mikroskopą, veikiantį 30 kV pagreičio įtampa ir 4, 2 pA pluošto srove. Visi grafeno įtaisai buvo pagaminti naudojant jonų mikroskopo integruotą modeliavimo programinę įrangą ir importuotas bitkoinus. Kiekviena frezuota sritis buvo veikiama „He + / Ne +“ spinduliu matymo lauke ir taškų atstumu, kad He + pluošto srautas būtų ~ 1 × 10 19 jonų / cm2 ir ~ 5 × 10 17 jonų / cm 2 . Ne + sija. Tolesni regėjimo laukai buvo gaunami paskesniais aukštos skiriamosios gebos vaizdais, naudojant 50 μs užlaikymo laiką.

Nuskaitymo elektroninės mikroskopijos būdu to paties grafeno įtaisų antriniai elektronų vaizdai buvo gauti naudojant Zeiss MERLIN VP SEM su objektyvo detektoriumi, veikiančiu esant 3 kV.

Papildoma informacija

Kaip pacituoti šį straipsnį : Iberi, V. ir kt. Be kaukės veikianti litografija ir grafeno laidumo vizualizacija in situ , naudojant helio jonų mikroskopiją. Mokslas. Rep. 5, 11952; „doi“: 10.1038 / srep11952 (2015).

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.