автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии формирования наноструктур с проводящим каналом на основе слоев графена

На правах рукописи

/}

Левин Денис Дмитриевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР С ПРОВОДЯЩИМ КАНАЛОМ НА ОСНОВЕ СЛОЕВ

ГРАФЕНА

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 !''0П 2015

00557084»

Москва-2015

005570848

Работа выполнена на кафедре квантовой физики и наноэлектроники Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель:

Неволин

Владимир Кириллович,

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Самойлов Владимир Маркович

Рыбин Максим Геннадьевич

доктор технических наук, начальник отдела акционерного общества "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН)

Ведущая организация:

Южный федеральный университет (ЮФУ)

Защита состоится "15" сентября 2015 г. в А/ ~ часов.

на заседании диссертационного совета Д 212.134.01 при Национальном

исследовательском университете «МИЭТ» по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ, а также на сайте www.miet.ru/

Автореферат разослан "/" ¿7/^/^-2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор КрупкинаТ. Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В последнее время интерес к углеродным наноматериалам, а также устройствам на их основе значительно вырос. Исследование свойств графена является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений в области наноматериалов. Это связано в первую очередь с уникальностью свойств материала, что и обеспечивает его перспективность для создания элементов и устройств микро- и наноэлектроники. Графен — это двумерная структура, в которой атомы углерода выстроены в форме правильных шестиугольников, использующаяся, как теоретическая модель для описания других аллотропных форм углерода, таких, как фуллерены и нанотрубки. Уникальность электронных и оптических свойств графена обусловлена его зонной структурой. Графен является полупроводником с нулевой запрещенной зоной, в котором движение электронов описывается двумерным уравнением Дирака для безмассовых квазичастиц, что обусловлено наличием в первой зоне Бриллюэна точек, вблизи которых закон дисперсии энергии электронов имеет линейную зависимость от волнового вектора. Именно вследствие этого в графене и наблюдается сверхвысокая подвижность электронов.

На данный момент существует уже немало исследований по применению графена в различных областях, несмотря на это количество публикаций, посвященных графену, растёт в экспоненциальной зависимости от времени. За последнее время на основе графена были созданы прототипы полевых и одноэлектронных транзисторов, сенсорные структуры. Однако, в большинстве своем речь идет о лабораторных экземплярах, где в процессе формирования образцов ученые отрабатывали методики работы с новым материалом. Полученные результаты показывают перспективность графена в качестве основы для углеродной наноэлектроники.

К сожалению, в отличие от обычных полупроводников, находящих широкое практическое применение, монослой графена не имеет запрещённой зоны, что означает сложности при формировании транзисторной структуры.

Модификация слоев графена тем или иным способом позволяет приблизиться к характеристикам, близким монослою. Пленки из многослойных графенов, обладающие запрещенной зоной, могут рассматриваться как перспективные материалы и для цифровой, и для аналоговой электроники. При этом межэлектронное рассеяние в них не

так сильно, что позволяет применять баллистические модели для описания короткоканальных приборов.

Синтез графена остаётся на сегодняшний день актуальной задачей. Несмотря на многочисленные предложенные методы, пока не найдена универсальная методика, которая позволяла бы получать высококачественные образцы графена в производственных масштабах. Все опубликованные методы получения образцов имеют недостатки, а образцы графена могут быть использованы лишь для узкого круга задач и создания устройств на малой площади, в зависимости от способа синтеза. Следовательно, разработка новых методик синтеза графена и усовершенствование уже имеющихся являются крайне интересными и актуальными темами в исследовании графена.

Цель работы и задачи.

Целью диссертационной работы являлась разработка методов формирования структур с проводящим каналом на основе пленок графена и исследование их электрофизических характеристик.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Адаптировать методику каталитического пиролиза паров этанола для синтеза многослойных пленок графена на поликристаллической пленке №.

2. Разработать методику позиционирования графитовых структур нанометровой толщины на диэлектрических подложках для дальнейшего формирования на их основе функциональных элементов микро- и наноэлектроники.

3. Разработать методы модификации однослойных и мультислойных графеновых структур для формирования возможности полевого управления каналом проводимости на их основе.

4. Исследовать поведение структур на основе проводящего канала из многослойной пленки графена наноразмерной толщины при воздействии излучения в инфракрасном диапазоне.

В результате проведенных исследований разработана серия методик для синтеза и модификации углеродных пленок нанометровой толщины, а также установлен ряд ранее неизвестных особенностей взаимодействия ультрафиолетового излучения на однослойные и мультислойные пленки графена.

Научная новизна работы.

В ходе проведенных исследований впервые были получены следующие результаты:

1. Разработана методика синтеза многослойных пленок графена наноразмерной толщины методом пиролиза этанола в условиях принудительного охлаждения и проведены исследования полученных структур с помощью методов атомно-силовой и растровой электронной микроскопии. Предложенная методика позволяет получать пленки нанометровой толщины, до 2 нм на поверхности никелевого катализатора толщиной 200 нм.

2. Выявлено, что использование метода нанесения графенов из растворов при повышенном давлении позволяет регулировать плотность и размер формируемых пленок наноразмерной толщины на поверхности подложки.

3. Показано, что процесс окисления под действием излучения в диапазоне ультрафиолета (УФО) при длительной обработке углеродных пленок нанометровой толщины имеет различия в зависимости от количества графеновых слоев.

4. Установлено, что процесс окисления под действием ультрафиолетового излучения в парах воды позволяет контролируемым образом проводить функционализацию углеродных пленок наноразмерной толщины, а также их удаление, что может быть использовано при формировании активных элементов электроники на их основе.

5. Предложена концепция неохлаждаемого болометра на основе пленки мультислойного графена, работающего при комнатной температуре, и исследована зависимость влияния фотоотклика от падающего на структуру излучения суб-терагерцового диапазона.

Достоверность научных положений, результатов и выводов.

Полученные экспериментальные результаты и разработанные методики согласуются с известными теоретическими моделями, в определённой своей части имеют прямое подтверждение в опубликованных отечественных работах, а также находят косвенное подтверждение в результатах зарубежных экспериментальных и теоретических работ. Опубликованные результаты согласуются и существенно дополняют экспериментальные результаты других авторов.

Теоретическая значимость исследования состоит в выявлении закономерностей модификации и локальной функционализации структуры пленки мультислойного графена под действием окислительных процессов, проходящих в парах воды в присутствии электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 10 до 400 нм. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, могут

быть использованы при дальнейшем развитии теории электронного транспорта в углеродных пленках нанометровой толщины под действием суб-терагерцового излучения.

Практическая значимость исследования состоит в том, что разработанные методики создания графеновых структур использованы при разработке и модернизации лекционных курсов и лабораторных работ по учебным дисциплинам: «Технология и оборудование наноэлектроники», «Физические основы наноэлектроники», «Введение в нанотехнологию». Разработанные конструктивно-технологические методы формирования сенсорных, транзисторных структур на основе пленок графена нашли применение при выполнении ряда НИР в научно-образовательном центре «Зондовая микроскопия и нанотехнология». Технология модификации углеродных структур нанометровой толщины за счет окисления под действием ультрафиолетового излучения использована в производственном процессе ООО «Наносенсор», при разработке интегральных химических сенсоров на основе углеродных нанопленок и их композитов.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Методика двухступенчатого нагрева парогазовой смеси в процессе пиролиза этанола при температуре 750°С и давлении 20 кПа позволяет синтезировать пленки наноразмерной толщины до 15 слоев графенов на поверхности N1 катализатора без принудительного охлаждения реактора.

2. Использование метода нанесения пленок графена из растворов при аэрозольном распылении позволяет регулировать плотность и размер формируемых пленок наноразмерной толщины на поверхности подложки. Увеличение давления приводит к нанесению графенов с малым числом слоев.

3. Многослойная графеновая пленка обладает резистивностью к окислению под действием излучения в диапазоне ультрафиолета за счет образования на поверхности графена кислородных соединений с углеродом. Процесс окисления структуры под действием ультрафиолета в парах воды позволяет контролируемым образом проводить функционализацию многослойных пленок графена, а также их удаление.

Личный вклад соискателя

Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на следующих

конференциях, семинарах и конкурсах научных работ:

S Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые - 2008» (МИРЭА, 2008);

S XVI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2009» (Москва. 2009);

S XVII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010» (Москва. 2010);

S llth International Conference on the Science and Application of Nanotubes (Montreal, Canada, 2010);

S XVIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011» (Москва. 2011);

International Conference "Advanced carbon nanostructures" (St. Petersburg. 2011)

S Международный форум по нанотехнологиям (Москва, 2011);

S 12th International Conference on the Science and Application of Nanotubes (Cambridge (UK), 2011);

S XIX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012» (Москва. 2012);

S X Международная конференция «Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии» (Минск, 2012);

S Международная конференция «Dubna-Nano2012» (Дубна, 2012);

S 56-я научная конференция МФТИ - Всероссийская молодежная научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва. 2013);

■S XX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2013» (Москва. 2013);

V International Conference "Advanced carbon nanostructures" (St. Petersburg. 2013)

Публикации

Основные результаты исследования, проведенного соискателем,

изложены в 16 печатных источниках, опубликованных в отечественной и

зарубежной литературе, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 139 страницах, из которых 122 составляет основной текст работы, включает 52 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 126 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обоснованы актуальность и научная новизна работы, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, теоретическая и практическая значимость диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. В ней дан краткий анализ области применения наноразмерных пленок графита в технологии микро-и наноэлектроники. Рассматривается состояние вопроса по структуре и свойствам графена, методам получения и способам применения его в качестве электронных компонентов. Целью данного обзора является анализ существующих методов получения слоев графена, возможности встраивания их в стандартный процесс электронной технологии и анализ успехов связанных с применением уникальных свойств материала в электронике. Кроме того, обзор служит для наиболее полного анализа свойств пленок графита наноразмерной толщины, обуславливающих их применение. Показана структурная связь графена с другими материалами, такими как углеродные нанотрубки и графит. Приведены данные об электронных свойствах графена и их взаимосвязи со свойствами нанотрубок и графита. Отмечается, что создание графеновых пленок осложнено рядом нерешенных проблем, связанных как с технологическими трудностями, так и с недостатком информации о физико-химических процессах, протекающих в ходе синтеза.

На основе рассмотренных примеров формирования функциональных элементов микро- и наноэлектроники был сделан вывод о перспективности синтеза мультислойных пленок графена, которые могут быть применимы для построения на их основе элементной базы микроэлектроники после функционализации и дополнительного легирования, изменяющего электронную структуры синтезируемой пленки.

Вторая глава посвящена рассмотрению методов получения и исследования многослойных пленок графена.

Было продемонстрировано, что использование метода нанесения графена из раствора при повышенном давлении позволяет регулировать плотность и размер, формируемых на поверхности подложки нанопластин. Данный метод может быть использован при нанесении мультиграфеновых пленок, полученных как микромеханическим расщеплением, так и методом химического расслоения. В обоих случаях, в среднем, получаются мультислойные пленки графена с числом слоев не более 5-7, латеральные размеры которых не превышают 10 мкм.

Выявлена закономерность увеличения количества материала с увеличением давления: осаждение при низком давлении приводит к формированию одиночных нанопластин с низкой степенью перекрытия, тогда как увеличение давления ведет к уплотнению нанопластин на поверхности (таблица 1). При этом толщина слоев уменьшается с увеличением давления, что определяется низкой энергией связи с поверхностью и удалением более толстых структур при высоком давлении.

Таблица 1. Параметры пленок при различном давлении в аэрографе

Давление воздуха, атм Средняя толщина нанопластин, нм Количество нанопластин на ед. площади, мкм"2 Средняя площадь нанопластин, мкм2

2 44,84±31,98 0,0315±0,0072 0,45±0,31

4 11,14±5,93 0,043±0,016 0,45±0,25

6 12,80±7,39 0,069±0,030 0,83±0,55

Таким образом, данный метод может быть использован в лабораторных исследованиях, однако не позволяет получать пленки с крупными латеральными размерами, однородными по площади поверхности. Более предпочтительным для массового получения графеновых пленок может являться метод химического осаждения из газовой фазы углеродсодержащих соединений на каталитических подложках. Данный метод позволил получить пленки графитизированного материала толщиной до нескольких нанометров на площадях до нескольких мм.

Результаты, представленные в данной главе, являются базой для создания технологии роста мультислойного графена, причём как в общем случае, так и в приложении к процессам электронной технологии. Структура установки позволяет обеспечить рост углеродных нанотрубок как из газофазной, так и жидкофазной углеродсодержащей парогазовой

смеси, покрывая тем самым весь технологический диапазон по ресурсам синтеза углеродного наноматериала.

Сформулированные требования к катализаторам, такие как отсутствие пассивации в диапазоне технологических условий, хорошая адсорбция к углероду и т.д., позволяют четко определить и охватить весь спектр возможных каталитических материалов. Понимание механизма роста мультислоев графена построенное на современных теоретических представлениях и данных растровой электронной микроскопии указывает на то, что наиболее простым способом задания свойств и структуры графитного наноматериала является задание свойств и структуры самого катализатора. И, наконец, теоретические описания термодинамики парогазовой смеси в реакторе дают существенную базу для выявления возможных случайных аномалий и систематических ошибок.

В результате исследования роста углеродного наноматериала из газовой фазы, удалось адаптировать стандартную методику классического роста углеродных нанотрубок в процессе химического осаждения из газовой фазы (CVD) в установке CVDomna, для синтезирования слоев графита, толщиной всего несколько нанометров. Эксперимент проводился при температуре Т=750°С и давлении Р=20 кПа на квазиаморфной плёнке никеля, напыленной методом катодного распыления с толщиной 200 нм на термически выращенном оксиде кремния. Толстый слой катализатора выбран для того, чтобы исключить возможность роста углеродных нанотрубок в процессе реакции. Т.к. нанотрубкам выгоднее расти на мелко диспергированных каплях катализатора, которые образуются при термическом воздействии на пленку катализатора. Для роста нанотрубок на больших каплях Ni катализатора, в процессе синтеза пленок графита, содержание углерода в камере реактора не будет являться достаточным, что обеспечивается малым временем воздействия прекурсор-газа на пленку катализатора. Именно по этой причине на толстых слоях катализатора возможен рост углеродных пленок нанометровой толщины. Диаметр каталитической подложки 75 мм. Поверхность Ni пленки-катализатора предварительно подвергалась очистке в плазме.

Исследования полученного углеродного наноматериала проводились как на растровом электронном микроскопе, входящем в состав комплекса НТК НАНОФАБ-ЮО, так и на сканирующем зондовом микроскопе Solver Р47Н (NT-MDT) с применением полуконтактной методики сканирования. Результат проведения процесса пиролиза этанола на металлическом катализаторе продемонстрирован на рис. 1.

Было выявлено наличие сколов плоскостей на равномерном покрытии никелевой поверхности, что связано с сильной деформацией слоя графена при взаимодействии углерода с подложкой. Толщина данных сколов составляет величину ~4 нм, что может говорить о формировании графитовых нанопластин на поверхности никелевой пленки (-12-15 графеновых слоев). Тем не менее, в общем, получен положительный результат роста равномерных пленок на пластинах размером до 5 мм.

а б

Рисунок 1. АСМ изображение пленки мультислойного графена на SiOi и вид профиля сечения (а), изображение пленки графита на Ni

пленке в СЭМ (б)

Для характеризации полученных пленок мультислойного графена привлекался широкий спектр методов исследования, включающий методы рентгеновского фазового анализа (дифрактометр D/MAX-RAPID II), сканирующий электронный микроскоп (FEI Нанофаб 100), атомно-силовой микроскопии (Solver Р47). Приводятся параметры аппертуры и даются оценки локальности и чувствительности методов измерения.

С помощью преобразования Фурье парной корреляционной функции определяется структурный фактор рассеяния в пленке (рис. 2). Первый пик в зависимости структурного фактора от вектора рассеяния (~ 1.8 Á"1) указывает на упаковку, состоящую преимущественно из 2-3 графеновых слоев. При этом наличие пиков на значениях К ~ 3, 6, 9 Á"1 может быть связано с большим количеством графитовой фазы в образце. Полученные результаты демонстрируют, что исследуемый материал состоит из смеси двух- и трехслойных, частично разориентированных, графеновых слоев.

Из-за активного изучения пленок графена встал вопрос о визуализации и определении толщин слоев графена наиболее точным и

быстрым способом. Для этого была разработана методика совмещенной атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Метод конфокальной спектроскопии позволяет выполнять измерения при обычных условиях и дает возможность провести структурный и композиционный анализ образца перед возможным применением разрушающих аналитических методов.

а б

Рисунок 2. Экспериментальные значения структурного фактора S(K) графенового материала (а) и значения парной корреляционной функции g(r) графенового материала (б)

Для качественной оценки толщины пленки графена может быть использовано соотношение интенсивности пика 2D к его полуширине на полувысоте. По результатам измерений спектров с различного количества слоев графена, которые коррелировались с данными топографии, полученными методами АСМ, исследовался характер пика 2D. С помощью программы MathLab подсчитывалось количество Гауссовых функций, описывающих кривую спектра. Количество Гаусовых функций при этом считается минимальным, а аппроксимация функции - максимальной. Коэффициент К при этом уменьшается пропорционально количеству Гауссианов. Проведенный анализ расчета толщин мультиграфеновой пленки в различных точках образцов показал, что данный метод можно использовать для качественной оценки толщин.

В третьей главе представлены результаты по функционализации поверхности пленки мультислойного графена частицами TiCb под действием излучения в ульрафиолетовом диапазоне.

В основном, исследования физических свойствах были проведены для монослоев графена, в то время как электрические свойства

мультислойных структур остаются не востребованными для применения в микро- и наноэлектронике. Однако, на электрические свойства наноразмерных транзисторов на основе графена сильно влияет число слоев графена, ширина канала и захваченного заряда в подложке 8Ю2. В мультислойной пленке графена (~10 слоев) присутствует комбинированный эффект кулоновского взаимодействия и межслойной связи, которые отвечают за скважность полевых транзисторов.

Обработка озоном, интенсивно образующимся при коротковолновом ультрафиолетовом облучении из кислорода, имеет огромные перспективы в технологии модификации и управления транспортными характеристиками графена. Данная обработка позволяет избавиться от остатков органических материалов (фоторезиста, других полимеров), возникающих на поверхности графена при интеграции его в групповые процессы микроэлектронной технологии.

В данной главе исследуется изменение свойств графена, содержащего один, два и несколько слоев, при проведении ультрафиолетового окисления (УФО) в парах воды. Продемонстрировано различие в изменении топографии, а также в оптических свойствах графена, имеющего различное количество слоев. Выявлена возможность как локального удаления графена, так и функционализации поверхности с модификацией энергетической структуры графена. Обсуждаются и анализируются различия в механизмах УФО однослойного, малослойного и мультислойного графена.

Рисунок 3. Спектры

комбинационного рассеяния света исходного (пунктиром) и обработанного УФ во влажной атмосфере в течение 3 часов (сплошным) графена. Сверху -для однослойного, снизу — для двухслойного. На вставке фотография пленки

мультислойного графена в оптический микроскоп с увеличением хЮОО

1-слой

200

1300 140(1 1.ЧЮ 1600 ' 2Ш 2700 Волновое число (Я)см"1

монослой

— бе! обработки — после УФ

мулыислоП

---бсч обработки

- после УФ

Были изучены процессы модификации графена в виде монослоя, бислоя и мультиграфена при ультрафиолетовом облучении в парах воды. При обработке графена в парах воды в средневолновом УФ диапазоне возможно участие нескольких механизмов: окисление графена, травление и легирование. Обнаружено, что процесс УФ окисления при длительной обработке имеет различия в зависимости от количества слоев в графене, связанные с повышенной энергетической активностью однослойного графена, полученного методом механического расщепления на термическом оксиде кремния, и высокой резистивностью к окислению мультислойного графена, связанной с наличием высокого энергетического барьера для формирования зр3-гибридизованных атомов углерода при накачке низкоэнергетическими фотонами. Выявлено, что во всех случаях происходит р-легирование графена (в случае мультислойного — верхних слоев) за счет образовавшихся на поверхности графена кислородных соединений с углеродом.

УФО в сухой и во влажной средах имеет существенные различия. Во влажной среде доминируют процессы, связанные с функционализацией поверхности (данные процессы менее энергозатратны, тем более в присутствие радикалов кислорода и -ОН-групп), в то время как проведение УФО в сухой среде приводит к доминированию процессов травления над функционализацией.

Исходя из экспериментов можно предположить о начале перехода графена из нанокристаллической фазы в аморфную в зависимости от времени (падение всех пиков, 2Б вплоть до нуля на рис. 4).

Рисунок 4. Спектры изменения положения С-пика (а) и 2И-пика (б) после процесса окисления под действием ультрафиолета

Дальнейшее травление будет способствовать продолжению уменьшения слоев и окончательному переходу пленки графена в аморфную фазу. Очистка поверхности ускоряет процессы травления.

Для измерения электронных характеристик пленки мультислойного графена была сформирована структура, где пленка графена 20х20 мкм расположена под электродами Аи/Сг (рис. 5) на термически окисленной кремниевой подложке. Пленка графена, толщиной 2 нм, синтезирована методом химического осаждения из газовой фазы (СУБ) и перенесена на стандартным методом, с помощью пленки полиметилметакрилата.

, эю.

чУ?^ I, мин

а б

Рисунок 5. Схема подключения структуры для эксперимента (а) и зависимость изменения сопротивления от времени воздействия УФ (б)

Измерения показали, что сформированная структура имеет линейную зависимость В АХ. Однако с увеличением времени воздействия ультрафиолетового излучения ВАХ структур всё больше приобретает полупроводниковый характер. Сопротивление и подобный наклон не позволяют говорить о получении хороших транзисторов на основе данных графенов. Однако, окисление только во влажной среде способствует различию в уровнях на порядок (рис. 6).

На рис. 6 представлена зависимость 1(1 (Ув) сформированной структуры графен/электроды, толщина канала которой составляет ~2 нм. Подвижность носителей заряда в сформированной структуре составила 80 см2/(В-с), и может быть посчитана по формуле, исходя из ВАХ полученной структуры для стандартной транзисторной структуры, где с!ох - толщина затворного диэлектрика, еох диэлектрическая проницаемость БЮг, Ь и № геометрические размеры проводящего канала, 'V¿ -напряжение сток-исток.

О ынн и«|-5 мВ

НА/В

4«

•О-,.

Вдмнн Щ1-4В

<1ЫЛ|и»-24 НА1В

о

У8,В

Рисунок б. Зависимости (У^ до эксперимента (а) и после обучения

90 минут УФ (б)

Таким образом, процесс УФО в парах воды позволяет контролируемым образом проводить функционализацию графена, а также его удаление, что может быть использовано при формировании активных элементов электроники на основе графена, содержащего различное количество слоев.

Четвёртая глава посвящена результатам разработки технологии изготовления и исследованию неохлаждаемых тонкопленочных болометров на основе пленок мультислойного графена. Такие болометры, будучи включенными в планарную двухщелевую антенну, могут использоваться для замещения низкотемпературных болометров терагерцового диапазона, для исследования диаграмм направленности интегральных линзовых антенн.

а б

Рисунок 7. Схема измерительного стенда (а) и структуры подключения (б)

В ходе экспериментов была сформирована структура проводящего канала на основе графена и исследована зависимость влияния фотоотклика от падающего на структуру излучения суб-терагерцового диапазона (суб-ТГц). Измерения проводились на лабораторном стенде, который показан на рис. 7 Кремниевая подложка с образцом чувствительного датчика закреплена на плоской поверхности кремниевой линзы, размещенной внутри криостата, который оснащен оптическим окном из политетрафторэтилена (ПТФЭ).

Объединенные оптические потери в окне ПТФЭ, линзы и т.д., оценивается примерно в 3 дБ, и прежде всего, связаны с потерями на отражении на поверхности линзы. В качестве источника суб-ТГц-излучения используется лампа обратной волны в режиме генерации (ЛОВ) с частотой 140 ГГц.

Структуры опытных образцов болометров были изготовлены на кремниевых пластинах, покрытых 300 нм слоем термического Si02-Топология болометра формировалась методом взрывной литографии (liftoff), который является весьма простым и удобным. Маска создавалась в резисте ПММА электронно-лучевым экспонированием. Пример структуры болометра представлен на рис. 8.

В ходе эксперимента измерения проводились при двух температурах: 300 К и 4,2 К. Чувствительный элемент устройства, пленка графена и контактные дорожки в виде антенны, находятся в фокусе линзы, что Ри нок 8 Схематичное обеспечивает отличное взаимодействие шображение сжруктуръ^ С падающим электромагнитным

излучением. Структура демонстрирует чувствительность к излучению при комнатной температуре, что можно использовать для формирования на и её основе сенсорных структур.

Показана зависимость "фотонапряжения" от напряжения на затворе, при этом есть напряжение и при отсутствии ослабления падающего излучения (рис. 9).

Мы знаем, что при взаимодействии со светом, в зависимости от концентрации носителей заряда, а также способности формирования материалом фотоиндуцированного заряда и транспорта его к электродам, задействуется либо фотоэлектрический, либо болометрический эффекты. При высокой плотности электронов преобладает болометрический эффект, явление изменения сопротивления металлов и полупроводников

при изменении температуры. Фактическая температура носителей заряда может отличаться от температуры фононов и определяется связью с термостатом, подложкой и электрическими контактами.

Однако при малых температурах, также, как и при комнатной температуре изменения незначительны. Это указывает на то, что основные изменения в структуре уровней канала на основе графена происходят в диапазоне около 330-400 К, поскольку воздействие облучением лампой также ведет и к разогреву структуры, а также способствует изменению верхнего функционального слоя, что и может приводить к существенным изменениям в положении энергетических уровней, а, следовательно, и к изменению наблюдаемой изменяющейся фото-ЭДС при облучении при различной температуре.

степени облучения структуры и температурах окружающей среды и зависимость фотовольтаического напряжения от приложенного напряжения на затворе (на вставке)

Снижение сопротивления устройства, например, путем модификации или функционализации пленки графена, может

дополнительно увеличить чувствительность сенсорной структуры по крайней мере в 10 раз, ввиду увеличения вклада в проводимость и управление структуры в целом за счет верхнего функционального слоя, способного к перестройке при определенном нагреве/поглощении излучения. Причина ненулевых напряжений заключается в контактной разности потенциалов разных материалов и может быть объяснена с позиций рассмотрения фотогенерации носителей в графеновом слое.

Таким образом, предложена концепция неохлаждаемого болометра на основе пленки мультислойного графена, работающего при комнатной температуре и имеющего отклик на излучение в суб-терагерцовом диапазоне.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика синтеза многослойных пленок графена методом пиролиза этанола в условиях принудительного охлаждения ректора и проведены исследования полученных структур с помощью методов АСМ и РЭМ. Предложенная методика позволяет получать пленки нанометровой толщины, до 2 нм на поверхности никелевого катализатора толщиной 200 нм.

2. Выявлено, что использование метода нанесения графенов из растворов при повышенном давлении позволяет регулировать плотность и размер формируемых пленок наноразмерной толщины на поверхности подложки

3. Показано, что процесс окисления под действием ультрафиолета при длительной обработке пленки нанометровой толщины имеет различия в зависимости от количества слоев графена.

4. Установлено, что процесс окисления под действием излучения в диапазоне ультрафиолета в парах воды позволяет контролируемым образом проводить функционализацию пленок графита наноразмерной толщины, а также их удаление, что может быть использовано при формировании активных элементов электроники на их основе.

5. Предложена концепция неохлаждаемого болометра на основе пленки мультислойного графена, работающего при комнатной температуре, и исследована зависимость влияния фотоотклика от падающего на структуру излучения в суб-терагерцовом диапазоне.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Левин Д.Д., Разработка методов формирования элементов микро- и

наноэлектроники на основе графена // Исследования и разработки

молодых ученых, студентов и аспирантов в области электроники и приборостроения «У.М.Н.И.К.», Зеленоград, 2010, с-11.

2. Nevolin V.K., Chervonobrodov S.P., Kvacheva L.D., Levin D.D., Gorshkov K.V., Grapnene and graphene decorated with metal nanoclusters investigation for routing electronic application //11th International Conference on the Science and Application of Nanotubes 2010 Montreal, Canada, 2010.

3. Левин Д.Д., Формирование мультиграфеновых пленок на поверхности пластин Si02/Si при создании транзисторов и сенсорных систем // XVIII всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011» .- М.:МИЭТ, 2011, С. 13.

4. Левин Д.Д., Разработка установки для формирования функциональных элементов микро- и наноэлектроники на основе графена // Исследования и разработки молодых ученых, студентов и аспирантов в области электроники и приборостроения «У.М.Н.И.К.», Зеленоград, 2011, с-17.

5. Ivan Komarov, Ivan Bobrinetskiy, Denis Levin, Vladimir Nevolin, Michail Simunin, Investigation of comparative growth kinetic of the carbon nanotubes and graphene multilayers of the thermal-oxidative ethanol pyrolysis method // 12th International Conference on the Science and Application of Nanotubes 2011 Cambridge, United Kingdom, 2011.

6. Bobrinetskiy I.I., Levin D.D., Nevolin V.K., Simunin M.M. The CVD formation of multi-graphene clusters in CNT growth system CVDomna // Advanced Carbon Nanostructures ACN'2011, St Petersburg, Russia, 2011.

7. Bobrinetskiy I.I., Levin D.D., Nevolin V.K., Simunin M.M. Investigation of comparative growth kinetic of graphene multilayers by CVD method // IV Международного Форума по нанотехнологиям RUSNANOTECH 2011, Moscow, Russia, 2011.

8. Левин Д.Д., Неволин B.K., Царик К.А., Формирование фокусированным ионным пучком наноразмерных графеновых структур // Наноиндустрия, №5,2011, С. 54-56.

9. И.А. Комаров, К.К. Лаврентьев, Д.Д. Левин, В.К. Неволин. Получение мультиграфеновых пакетов, и методика группового определения их толщины с помощью зондовой микроскопии // Методологические аспекты санирующей зондовой микроскопии. X Международная конференция, Минск, 13-16 ноября 2012 г. Сборник докладов под ред. С. А. Чижик, Н.В. Карелин и др. - Минск: Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова, 2012, с.71-75.

10. Комаров И.А., Левин Д.Д., Метод получения сверхтонких слоев графита из раствора ПАВ // XIX всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012». - М.:МИЭТ, 2012, С.13.

11. Levin D.D., Nevolin V.K., Investigatin of cooling on growth nanosized graphite layers // International Conference "Dubna-Nano2012", Dubna, 2012, C.127.

12. Bobrinetskiy I.I., Levin D.D., Nevolin V.K., Simunin M.M. Formation and investigation of graphene films produced by different methods // Advanced Carbon Nanostructures ACN'2013, St Petersburg, Russia, 2013, C.83.

13. Левин Д.Д., Особенности методики формирования наноструктур при воздействии фокусированным ионным пучком на электронный резист // XX всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2013»,-М.:МИЭТ, 2013, С.13.

14. Зайцев А.А., Лаврентьев К.К., Левин Д.Д., Царик К.А., Влияние воздействия фокусированного ионного пучка на свойства полиметилметакрилата при создании наноструктур // 56-я Всероссийская молодежная научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» - М.:МФТИ, 2013, С.49-50.

15. Бобринецкий И.И., Комаров И.А., Лаврентьев К.К., Левин Д.Д., Симунин М.М., Неволин В.К., Квачева Л.Д., Червонобродов С.П., Буриан А., Хавелек Л., Возница Н., Особенности интеграции графенов в технологические процессы микроэлектроники // Известия ВУЗов. Электроника №3 М.: МИЭТ. 2013. С.33-43.

16. В.К. Неволин, Д.Д.Левин, И.И. Бобринецкий, А.В. Емельянов, А.В. Ромашкин, В.А. Петухов Особенности функционализации поверхности однослойного и мультислойного графена при окислении под действием ультрафиолетового облучения 1( Известия ВУЗов. Электроника №3 М.: МИЭТ. 2015. С.259-267.

Автореферат

Левин Денис Дмитриевич

Разработка и исследование технологии формирования наноструктур с проводящим каналом на основе слоев графена

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л._. Тираж 100 экз. Заказ №_.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.