研究人员使用液体氧化镓来保护石墨烯器件

来自莫纳什大学，墨尔本大学和RMIT大学的研究人员展示了一种令人惊讶的方法来保护原子薄的电子产品 – 增加振动，以减少振动。

通过“挤压”一滴薄薄的液态镓，石墨烯器件被涂上玻璃保护涂层，氧化镓。这种氧化物非常薄，不到100个原子，但覆盖了厘米宽的尺度，使其可能适用于工业大规模制造。

“机械地转移这种大面积的纳米片是非常新颖的，”主要作者Matthew Gebert说。

氧化物提供了一种新的设备保护方法，同时也提高了设备性能：“氧化物不仅在我们第一次转移时增强和保护我们的设备，而且在随后的加工和制造过程中，”共同作者Semonti Bhattacharyya说。

保护性氧化镓也产生了令人惊讶的结果，降低了石墨烯中由周围材料中的热量引起的热振动引起的电阻。“这令人惊讶，因为实际上我们增加了额外的振动，以减少总振动，”Gebert说。这是首次在石墨烯器件中展示了这种降低热振动电阻的策略。

来自ARC未来低能耗电子技术卓越中心（FLEET）的莫纳什团队使用一种新颖的液态金属打印技术来制造氧化镓（Ga₂O₃）玻璃。这种方法是由RMIT的FLEET合作者设计的，他们在各种电子应用中使用了这种新型玻璃。

在液态镓金属液滴表面形成的玻璃膜比人类头发薄5000倍以上，但可以从液态金属表面可靠地“打印”出来，在厘米大小的区域内形成均匀的连续层。

液态金属方法在保护设备方面具有两个优点。层印刷方法可防止生长损伤，而转移层是进一步加工的良好屏障。

氧化镓封装不仅提供保护，而且由于其高K介电特性，还可以提高性能。高K电介质不容易与石墨烯集成，因为这些材料的生长通常涉及高能原子的轰击。

由于氧化镓封装是一种机械转移技术，因此它与其他沉积方法（如原子层沉积、蒸发、溅射和气相沉积）有着根本的不同，后者具有高温要求等不良属性。由于金属镓是接近室温（30°C）的液体，因此该工艺在工业应用方面具有许多优势。事实上，在使用这些其他方法进一步加工之前，氧化镓可以用作缓冲层。

莫纳什团队证明，氧化镓通过使用工业生长工具测试石墨烯器件来保护石墨烯免受表面损伤。沉积另一个氧化层仅损坏石墨烯的未覆盖区域，而被氧化镓覆盖的区域保留了其质量。

电绝缘（电介质）材料在晶体管的功能中尤为重要。这些介电材料允许晶体管在不漏电的情况下打开或关闭，这反过来又允许您使用手机/PC。

为了“切换”晶体管，电子在电介质材料上积聚以产生电压并影响器件。然而，更薄的电介质会泄漏电流，从而降低开关能力，并将电流浪费为热量。高 K 电介质很重要，因为它们提高了开关的有效性，从而减少了电流泄漏，从而减少了能源浪费。

然而，即使是高K电介质器件也不是不受尺寸影响。随着电子材料变得越来越小，越来越薄，我们不断向塞进更多的晶体管，材料受到相邻材料表面的强烈影响，通常会导致性能下降。这就解释了为什么石墨烯经常被高K电介质损坏。

在表面发生的这些退化现象之一是材料振动。材料由于热引起的振动，在材料中引起电阻，称为声子。这些振动（声子）导致固体中的原子振荡，流动的电子从这些振荡中反弹并改变其方向，导致电阻。

石墨烯本身中碳原子的热振动导致阻力非常小，这就是为什么石墨烯对电子产品如此有用的材料的原因之一。然而，石墨烯的薄特性意味着周围（远端）材料中的热振动会对石墨烯中的电子产生很大的影响，而这些是石墨烯在室温下电阻的主要原因。

随着温度的升高，更多的声子被激发，通过散射电子来增加电阻。

“你可以把这种情况想象成一个围栏，”莫纳什大学/FLEET的博士候选人Matt Gebert解释说。“栅栏（2D石墨烯）受到两侧邻居（石墨烯两侧的绝缘材料）的作用的影响。一个邻居可能在栅栏的一侧有一个干净的环境（一个很好的绝缘体，声子很少），但另一个邻居可能有一个杂草丛生的花园，会损坏栅栏（一个带有强声子的坏绝缘体）……“

“所以最终，你的围栏（石墨烯）没有达到它想要的目的，甚至可能不再形成一个完整的围栏（电子电路）！”

为了研究氧化镓的保护质量，该团队机械地将大面积转移到石墨烯设备上。随后的测量证实，石墨烯在不同温度和电子群下的电子特性得以保持 – 即保留了高电子迁移率（晶体管非常有用的特性）。

“令人惊讶的是，增加了一层Ga₂O₃玻璃降低了石墨烯中由于声子散射引起的电阻，“Matt解释说。 （在略低于室温的目标温度范围内也是如此。

“这是违反直觉的，因为通过添加这种材料，你正在引入额外的声子。所以你可能会想：声子越多，我们预期的阻力就越高！”

然而，这些结果确实与绝缘体中声子的现有理论一致。加语₂O₃拥有强声子，但同样的特性也允许它调整自己的原子配置，以“筛选”石墨烯另一侧二氧化硅玻璃中声子的电场。

进一步助推局势，强Ga₂O₃声子是需要高能量来填充的模式。结果，Ga₂O₃声子仅在较高温度（具有更多热能）下变得活跃，这导致石墨烯中的总体电阻降低，直到温度为-53°C（220 K）。氧化镓正在拾取（仅）良好的振动。

这种降低整体声子含量的策略首次得到验证，可用于在室温下为2D电子设备识别性能更好的混合材料。具有比Ga₂O₃更高的能量声子模式的类似介电材料可以与现有的硅技术很好地合作，这些技术目前正在被推向量子尺度的极限。液态金属打印技术是工业合作伙伴的通用方法。触摸打印Ga₂O₃的工艺流程扩展到大晶圆级区域，非常自动化，并显示出良好的重现性，表明其行业可采用性的优点。金属镓，熔化率约为30^oC，与其他需要大量材料或高度高温的氧化物沉积方法相比，转移设备也很便宜。