Sintesi di grafene multistrato ad area selettiva utilizzando una sonda nanoriscaldatrice resistiva

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7976 (2023) Citare questo articolo

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Il grafene è stato un materiale interessante grazie alle sue proprietà versatili e all’ampia varietà di applicazioni. Tuttavia, la produzione è stata uno degli aspetti più impegnativi del grafene e del grafene multistrato (MLG). La maggior parte delle tecniche di sintesi richiedono temperature elevate e passaggi aggiuntivi per trasferire il grafene o la MLG su un substrato, il che compromette l'integrità della pellicola. In questo articolo, viene esplorata la cristallizzazione indotta dal metallo per sintetizzare localmente MLG direttamente su pellicole metalliche, creando un composito MLG-metallo e direttamente su substrati isolanti con una sonda nanoriscaldatrice resistiva in movimento a condizioni di temperatura molto più basse (~ 250 °C). La spettroscopia Raman mostra che la struttura del carbonio risultante ha proprietà di MLG. L'approccio presentato basato sulla punta offre una soluzione di fabbricazione MLG molto più semplice eliminando le fasi fotolitografiche e di trasferimento dell'MLG.

Il grafene è emerso come uno dei materiali più promettenti per l’era post-silicio1. Il metodo più semplice per ottenere il grafene è attraverso l'esfoliazione, che prevede il distacco degli strati di carbonio dalla grafite fino ad ottenere un monostrato o pochi strati1. Tuttavia, la tecnica di esfoliazione richiede molto tempo. Un altro metodo comune è la deposizione chimica in fase vapore (CVD), utilizzata per la sintesi del grafene, che può produrre strati di grafene di grandi dimensioni2,3, ma viene eseguita a temperature elevate (> 950 °C). Inoltre, richiede il trasferimento meccanico del grafene su altre superfici per un’ulteriore lavorazione. Questi passaggi aggiuntivi introducono impurità, difetti, strappi e rughe, attenuando drasticamente le proprietà del grafene4,5,6,7. Pertanto, la sintesi del grafene a bassa temperatura e senza trasferimento è altamente desiderabile per applicazioni industriali su vasta area, in particolare per conservare l'integrità meccanica della bassa costante dielettrica dei dielettrici intermetallici comunemente utilizzati nella fabbricazione di circuiti integrati (IC)8,9,10.

Il grafene multistrato (MLG) è un'opzione eccellente per cablaggi ed elettrodi in applicazioni che richiedono elevate conduttività elettrica/termica. La sintesi del grafene con un numero controllabile di strati è stata possibile controllando lo spessore dello strato di carbonio amorfo evaporato e inducendo la cristallizzazione catalizzata da metallo a 650–950°C11. Quando riscaldati, gli atomi di carbonio si diffondono nel metallo e precipitano in superficie mentre si raffreddano11. È stato anche segnalato che la MLG si forma all'interfaccia tra il metallo e il substrato a 800°C12. Questo scambio tra un catalizzatore metallico e un materiale del gruppo IV è noto come Layer Exchange (LE)13. La cristallizzazione indotta da metalli (MIC) è un metodo semplice ed efficace per abbassare la temperatura di sintesi della MLG direttamente sui substrati inducendo LE. La sintesi avviene direttamente sul substrato, eliminando ulteriori passaggi di trasferimento meccanico della MLG. Lo stagno (Sn) ha il vantaggio rispetto ad altri metalli di consentire la sintesi sulla superficie del metallo e sul substrato isolante a 250 °C grazie al suo basso punto di fusione14.

In questo lavoro, sintetizziamo direttamente MLG su Sn e sul substrato isolante a bassa temperatura (≈250 °C) utilizzando MIC-LE14. Invece di riscaldare l'intero campione, viene fornito un riscaldamento localizzato in una posizione desiderata sul campione tramite una punta della sonda nanoriscaldatrice resistiva. Sono stati utilizzati metodi basati su nano-riscaldatori per ridurre le pellicole isolanti di ossido di grafene (GO) per creare localmente grafene15,16,17; tuttavia, questa è la prima volta che il riscaldamento basato sulla punta viene utilizzato con MIC-LE per la sintesi MLG. Questo nuovo metodo è compatibile con i processi di fabbricazione esistenti e ha il potenziale per l'espansione ad applicazioni ad alta produttività18,19,20,21,22. La sintesi diretta, senza trasferimento e senza maschera di MLG su metalli e substrati isolanti ottenuta in questo lavoro consente l'integrazione di MLG con l'elaborazione CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)23.