自從發現石墨烯及其卓越的性質以來，研究人員積極探索先進的石墨烯圖案化技術。雖然蝕刻工藝在形成石墨烯通道中是關鍵的，但是現有的蝕刻技術具有局限性，例如速度低、成本高、殘留物污染和邊緣粗糙。因此，開發簡單有效的蝕刻方法是必要的。這項研究需要開發一種通過干法蝕刻圖案化石墨烯的新技術，利用選擇性光化學反應精確地針對單層石墨烯(SLG)表面。該過程通過發射波長為172 nm的光的準分子紫外燈來促進。通過各種光譜分析，證實了這種技術在大面積上選擇性去除SLG，留下幾層完整和清潔的石墨烯的有效性。此外，我們探索了這種技術在器件制造中的應用，揭示了它在提高SLG基器件電學性能方面的潛力。與二維接觸器件相比，使用這種方法制造的一維(1D)邊緣接觸不僅表現出增強的電傳輸特性，而且在制造傳統的1D接觸器件中表現出增強的效率。這項研究解決了適用于下一代石墨烯器件的先進技術的需求，提供了一種具有廣泛適用性和高效率的有前途的通用石墨烯圖案化方法。
圖 1. 石墨烯混合層中SLG的選擇性刻蝕。(a)實驗裝置(左)和通過準分子紫外輻射的SLG光化學蝕刻過程的示意圖(右；紅色星號)。在受激準分子UV照射240 s之前和之后，原始剝離石墨烯(b，c)的光學顯微鏡和AFM形貌圖像。(b)和(d)中的虛線方塊表示(c)和(e)的AFM掃描區域。(f)受激準分子紫外線照射前后的高度輪廓比較，沿(c)和(e)中所示的黑色和紅色箭頭線測量。(g)受激準分子紫外線照射240秒后SLG拉曼光譜的變化。在AFM形貌圖像(c)和(e)中指定為黑點和紅點的位置獲得(g)中的拉曼光譜。
圖 2. 準分子紫外輻照240 s后MLG的拉曼光譜分析。(a)在蝕刻條件下(240秒)暴露于受激準分子紫外光的具有不同層數的MLG的拉曼光譜。原始和受激準分子UV曝光的石墨烯樣品的光譜分別由黑線和紅線表示。單個剝離樣品中的不同區域對應于BLG、TLG、FLG和MLG石墨烯。基于光學顏色、拉曼光譜特征和AFM地形高度來識別這些層。(b)BLG的拉曼光譜變化是受激準分子紫外線照射時間的函數。(c)根據從(b)中提供的數據中提取的G和2D峰值位置(ω)之間的相關性，對BLG進行應變和興奮劑分析。藍色箭頭代表雙軸應變BLG的參考線，如Zabel等人所報道。陰影區域中的彩色彎曲箭頭代表Fates等人觀察到的摻雜效應的實驗參考。通過檢查峰值位置和半峰全寬之間的關系對BLG進行興奮劑分析(FWHM；γ)為G峰。帶陰影區域的紫色彎曲箭頭顯示了Das等人[16]報告的BLG摻雜效應。使用Si峰強度將每個拉曼光譜歸一化為1，對準位置在520 cm
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圖3. 準分子紫外輻照240 s后hBN上石墨烯的TEM表征。(a) TEM樣品制備，包括SLG、hBN和TEM網格。插圖說明了TEM網格上石墨烯/hBN的結構順序。(b，c)在(b)和(c)受激準分子UV蝕刻之前在SLG/hBN獲得的沿著指定線的代表性SAED圖案和相應的強度分布(插圖)。(d-f)與BLG/hBN的(a-c)數據集相同。孔1和孔2分別表示僅BLG和BLG/hBN結構。(e)和(f)中的代表性SAED圖案是在第2孔獲得的。
圖 4. 使用SLG選擇性蝕刻在hBN/SLG FET器件中制造2D和1D電極接觸。(a)使用SLG選擇性蝕刻方法制造具有2D和1D電極接觸的hBN/SLG/SiO2器件的AFM結果。插圖顯示了表明2D和1D電極接觸的光學圖像。(b)2D和1D電極接觸元件的橫截面結構示意圖。石墨烯和Au/Cr電極之間的2D和1D接觸界面分別用洋紅色和藍色突出顯示。(c)hBN/SLG FET器件中2D和1D電極接觸的柵相關電輸運特性。插圖顯示了通過漏源的輸出曲線。(d)使用從(c)獲得的2D和1D接觸的依賴于柵極電壓(VG)的電阻，通過德魯德模型擬合結果。1D觸點中Rtot、Rch和2RC的所有電阻值都乘以1.62。
圖 5. 2D-Co/CAFE40 的結構與性能評估。(a1–a6) 通過條紋誘導 AAO 和兩步蝕刻法生長 MINAL 結構，由 COMSOL 軟件建模。(b1) 2D-Co/CAFE0 表面 (b2, b4) 水和 (b3, b5, b6) 有機溶液的傳質過程的建模與模擬。(c1) 2D-Co/CAFE40 表面 (c2, c4) 水和 (c3, c5, c6) 有機溶液的傳質過程的建模與模擬。
相關科研成果由韓國建國大學Jin Sik Choi，Bae Ho Park等人于2024年發表在Nano Convergence（https://doi.org/10.1186/s40580-024-00442-5）上。原文：Excimer-ultraviolet-lamp-assisted selective etching of single-layer graphene and its application in edge-contact devices
原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s40580-024-00442-5
轉自《石墨烯研究》公眾號
