Proprietà elettroniche risolte atomicamente nel grafene a strato singolo su α

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18743 (2022) Citare questo articolo

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La deposizione chimica in fase vapore (CVD) priva di metalli di grafene a strato singolo (SLG) su zaffiro piano c è stata recentemente dimostrata per diametri di wafer fino a 300 mm e l'alta qualità degli strati SLG è generalmente caratterizzata da metodi integrali. Applicando un approccio di analisi completo, vengono rivelate interazioni distinte all'interfaccia grafene-zaffiro e variazioni locali causate dalla topografia del substrato. Le regioni vicino ai bordi dei gradini dello zaffiro mostrano minuscole rughe con un'altezza di circa 0,2 nm, incorniciate da grafene delaminato, identificato dal tipico cono Dirac di grafene libero. Al contrario, l'adsorbimento di CVD SLG sulle terrazze α-Al2O3 (0001) con terminazione idrossilica risulta in una sovrastruttura con una periodicità di (2,66 ± 0,03) nm. I deboli legami idrogeno formati tra la superficie dello zaffiro idrossilato e il sistema di elettroni π di SLG danno come risultato un'interfaccia pulita. L'iniezione di carica induce un gap di banda nello strato di grafene adsorbito di circa (73 ± 3) meV nel punto di Dirac. Il buon accordo con le previsioni di un'analisi teorica sottolinea il potenziale di questo sistema ibrido per le applicazioni elettroniche emergenti.

I materiali bidimensionali (2DM) sono considerati i principali candidati per estendere in modo significativo la funzionalità dei chip di silicio, denominati "CMOS + X". La cointegrazione dei 2DM con la tecnologia del silicio aumenta la prospettiva di prestazioni sostanziali e miglioramenti funzionali in aree come "More than Moore", circuiti integrati fotonici, calcolo neuromorfico e tecnologie quantistiche1. L'eccellente stabilità strutturale, termica e chimica combinata con la flessibilità meccanica e la robustezza elettrica possono essere di particolare interesse per i dispositivi memristivi, che sono considerati componenti chiave per l'edge computing di prossima generazione2,3,4,5,6. Recentemente, Wang et al. ha dimostrato un dispositivo a grafene/MoS2−xOx/grafene che presenta eccellenti prestazioni di commutazione resistiva con una resistenza fino a 107 a una temperatura operativa di 340 °C7. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per una comprensione più approfondita del ruolo delle proprietà e dei difetti interfacciali, in particolare quelli formati durante la crescita e l'esfoliazione8. Per sfruttare appieno le eccezionali proprietà dei 2DM per nuovi concetti di calcolo neuromorfico, è necessario un processo scalabile compatibile con la tecnologia dei semiconduttori per ottenere materiale di alta qualità su wafer di dimensioni tecnologicamente rilevanti9.

La deposizione chimica da fase vapore (CVD) ha dimostrato di essere una via di sintesi affidabile, riproducibile e tecnologicamente fattibile per film SLG su scala wafer caratterizzati da buona cristallinità, bassa densità di impurità e piena compatibilità con back-end-of-line su larga scala (BEOL ) integrazione. Gli SLG di vasta area sono stati inizialmente fabbricati da CVD su Cu, che funge da catalizzatore per la decomposizione delle fonti di idrocarburi10,11,12,13. Tuttavia, le impurità derivanti dalla rimozione imperfetta dei catalizzatori metallici e del PMMA (poli(metil 2-metilpropenoato)), necessario per i processi di trasferimento, ostacolano l'uso di questo materiale per la produzione in grandi volumi rispettando al tempo stesso gli standard dei semiconduttori14,15. Pertanto, l’attuale interesse della ricerca è focalizzato sulla crescita diretta del grafene su substrati isolanti compatibili con la tecnologia del silicio come α-Al2O3 (0001)16,17,18,19,20. Questo substrato standard nella tecnologia dei semiconduttori compositi garantisce la disponibilità di grandi volumi di wafer di grande diametro con la qualità richiesta a costi ragionevoli21. Inoltre, la costante reticolare del piano c dello zaffiro, 0,476 nm, è quasi il doppio di quella del grafene (2 × 0,247 nm)22. Studi recenti hanno dimostrato l'idoneità dei wafer in zaffiro c-plane per la CVD diretta di SLG17,23,24 di alta qualità e l'upscaling a substrati di diametro 150 mm utilizzando un reattore su scala di produzione (AIXTRON CCS 2D)25. Sin dalle prime segnalazioni di crescita diretta di SLG su zaffiro, l'allineamento di SLG su diverse superfici di zaffiro è stato oggetto di numerose indagini. Entani et al. e Dou et al. riportato una forte interazione interfacciale tra grafene e α-Al2O3 (0001) dominata da forze elettrostatiche nel sistema π del grafene e da elettroni insaturi dello strato di ossigeno della superficie di α-Al2O3 (0001) che formano un legame interfacciale C–O–Al26, 27. Al contrario, Saito et al. e Ueda et al. ha scoperto che la crescita del grafene sullo zaffiro del piano c inizia da pozzi di attacco formati durante il processo CVD. La superficie ricca di Al all'interno dei pozzi gioca un ruolo centrale nell'attività catalitica per la crescita di SLG28,29. Questa affermazione è supportata anche dal lavoro di Mishra et al. e Chen et al., che hanno ottenuto CVD SLG di alta qualità per α-Al2O3 (0001) trattato in un'atmosfera di idrogeno prima della deposizione di grafene ad alte temperature di 1180 °C e 1400 °C, rispettivamente20,25. Sono stati riportati valori di mobilità dei portatori a temperatura ambiente superiori a 2000 cm2/Vs e 6000 cm2/Vs. In contrasto con la SLG cresciuta su wafer non trattati, questi film hanno mostrato una minore densità di creste, terrazze atomiche ben definite e una migliore qualità cristallina con una larghezza media media a metà massimo (FWHM) della modalità Raman 2D da circa 30 cm-1 a 35 cm−1. I rapporti di intensità bassa D/G e alta 2D/G di circa 0,15 e ben al di sopra di 2, rispettivamente, indicano una bassa densità di difetti e una concentrazione di portatori nell'intervallo inferiore di 1012 cm−225. Tuttavia, il crescente interesse nell’utilizzo della SLG CVD su α-Al2O3 idratato (0001) per realizzare dispositivi elettronici su scala nanometrica per l’elettronica di prossima generazione, l’optoelettronica, l’informatica quantistica e neuromorfica, richiede una comprensione fisico-chimica più dettagliata delle proprietà elettroniche della SLG/zaffiro sistema fino alla scala atomica30,31,32. In particolare, la superficie energetica potenziale della SLG sullo stack di zaffiro influenza sia l'interfaccia con strati successivamente depositati di 2DM ibridati sp2 come h-BN e dichalcogenuri di metalli di transizione, sia le proprietà caratteristiche dei dispositivi funzionali come affidabilità, resistenza e ritenzione.