石墨烯是一種非常薄且柔韌，具有相當(dāng)強(qiáng)度的導(dǎo)電材料。然而，利用石墨烯作為組件的潛力面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，制造基于電極的晶體管需要沉積極薄的介電薄膜。遺憾的是，這一過程導(dǎo)致了石墨烯電性能的下降，并在實(shí)施過程中造成缺陷。

浦項(xiàng)工科大學(xué)機(jī)械工程系的 Jihwan An 教授、新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械工程系的 Jeong Woo Shin 博士和首爾理工大學(xué)的 Geonwoo Park 博士組成的研究團(tuán)隊(duì)采用了一種稱為紫外輔助原子層沉積(UV-ALD) 的新方法來處理石墨烯電極。這項(xiàng)開創(chuàng)性的技術(shù)成功生產(chǎn)了高性能石墨烯-電介質(zhì)界面。該研究?jī)?nèi)容以“High-Performance Graphene-Dielectric Interface by UV-Assisted Atomic Layer Deposition for Graphene Field Effect Transistor”為題發(fā)表在《Advanced Electronic Materials》雜志上。

該研究首次應(yīng)用紫外光輔助原子層沉積（UV-ALD）技術(shù)于石墨烯表面，并展示了利用UV-ALD沉積Al2O3薄膜在石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GFETs）中的應(yīng)用。在ALD過程中進(jìn)行5秒最佳紫外照射，導(dǎo)致在石墨烯表面上沉積出更加致密平滑的Al2O3薄膜，形成親密的石墨烯-介質(zhì)界面，而過量的紫外照射則會(huì)阻止薄膜的成核。因此，通過UV-ALD沉積高質(zhì)量介質(zhì)層的GFETs顯示出改善的性能，具有接近0 V的狄拉克電壓和1221 cm2V?1s?1的空穴遷移率，與熱ALD相比提高了超過200%。該研究證明，UV-ALD是實(shí)現(xiàn)二維材料與超薄介質(zhì)膜之間高質(zhì)量界面的一種有效簡(jiǎn)單選擇，也證明了在低溫（100℃以下）沉積高密度、高純度原子層介電薄膜的可能性。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 本研究中使用的UV-ALD的示意圖a)裝置和b)過程(1個(gè)周期)。

圖2. 對(duì)Si基底上的UV-ALD Al2O3膜的表征：a）基于X射線反射（XRR）的密度和粗糙度總結(jié)，b）通過UV-ALD沉積的Al2O3薄膜的XPS光譜（UV0/5/20），c-e）c）UV0，d）UV5和e）UV20的O1s峰的高分辨率XPS光譜，以及f）基于O1s峰解卷積的Al2O3和（Al2O3+ AlOOH）峰之間面積強(qiáng)度比的總結(jié)。

圖3. UV-ALD Al2O3薄膜在石墨烯上的原子力顯微鏡（AFM）圖像：a）UV0，b）UV5，c）UV20，d）UV50，以及e）線性剖面的比較。f）來自AFM分析的晶粒尺寸和面積覆蓋率總結(jié)。g）UV-ALD Al2O3薄膜在石墨烯上的XPS光譜，以及h）GI-XRD光譜。

圖4. a）紫外光輔助原子層沉積（UV-ALD）Al2O3薄膜的拉曼光譜，以及b）帶有UV-ALD（UV0/5/20/50）Al2O3層的石墨烯的G峰峰值位置和半峰寬。c）UV0，d）UV5，e）UV20和f）UV50的高分辨率光譜。

圖5. a）Al2O3/ Au / 石墨烯GFETs結(jié)構(gòu)的器件示意圖。b）帶有UV0/5/20/50 ALD Al2O3介電層的GFETs的傳輸特性。c、d）根據(jù)UV照射時(shí)間總結(jié)的GFETs的達(dá)克電壓（VDirac）和空穴遷移率（μh）（灰色線表示ALD之前裸露石墨烯的性質(zhì)）。

結(jié)論

研究人員首次成功地將紫外光輔助原子層沉積（UV-ALD）技術(shù)應(yīng)用于石墨烯基底，并展示了通過UV-ALD沉積的Al2O3介電薄膜提升的GFETs性能。在ALD過程中，最佳的UV照射，即每個(gè)循環(huán)5秒（UV5），通過重建親密的石墨烯-介質(zhì)界面上的成核位點(diǎn)，誘導(dǎo)了均勻薄膜的生長(zhǎng)；它還在低溫（<100°C）下為配體交換提供了不足的熱能，導(dǎo)致了高質(zhì)量的Al2O3薄膜沉積，即更加致密、平滑和純凈。相反，過量的UV照射（UV20/50）可能會(huì)導(dǎo)致非均勻薄膜沉積，可能是由于在ALD半周期中是反應(yīng)位點(diǎn)的石墨烯上的-OH或TMA的脫鍵。因此，具有優(yōu)質(zhì)UV-ALD介電層的GFETs在最佳UV照射下表現(xiàn)出改進(jìn)的性能，VDriac接近0V，μh為1221 cm2?V?1?s?1，與具有熱ALD介電層的GFET相比，提高了約3倍。該研究展示的成功將低溫UV-ALD應(yīng)用于具有高質(zhì)量介電-石墨烯界面的GFETs，可能在實(shí)現(xiàn)高性能的石墨烯或其他二維材料（例如MoS2、h-BN）基柔性電子器件方面具有重要意義。