开创性新方法！用于高性能石墨烯电子产品！

石墨烯是一种非常薄且柔韧，具有相当强度的导电材料。然而，利用石墨烯作为组件的潜力面临着许多挑战。例如，制造基于电极的晶体管需要沉积极薄的介电薄膜。遗憾的是，这一过程导致了石墨烯电性能的下降，并在实施过程中造成缺陷。

浦项工科大学机械工程系的 Jihwan An 教授、新加坡南洋理工大学机械工程系的 Jeong Woo Shin 博士和首尔理工大学的 Geonwoo Park 博士组成的研究团队采用了一种称为紫外辅助原子层沉积(UV-ALD) 的新方法来处理石墨烯电极。这项开创性的技术成功生产了高性能石墨烯-电介质界面。该研究内容以“High-Performance Graphene-Dielectric Interface by UV-Assisted Atomic Layer Deposition for Graphene Field Effect Transistor”为题发表在《Advanced Electronic Materials》杂志上。

该研究首次应用紫外光辅助原子层沉积（UV-ALD）技术于石墨烯表面，并展示了利用UV-ALD沉积Al₂O₃薄膜在石墨烯场效应晶体管（GFETs）中的应用。在ALD过程中进行5秒最佳紫外照射，导致在石墨烯表面上沉积出更加致密平滑的Al₂O₃薄膜，形成亲密的石墨烯-介质界面，而过量的紫外照射则会阻止薄膜的成核。因此，通过UV-ALD沉积高质量介质层的GFETs显示出改善的性能，具有接近0 V的狄拉克电压和1221 cm² V⁻¹ s⁻¹的空穴迁移率，与热ALD相比提高了超过200%。该研究证明，UV-ALD是实现二维材料与超薄介质膜之间高质量界面的一种有效简单选择，也证明了在低温（100℃以下）沉积高密度、高纯度原子层介电薄膜的可能性。

图文导读

图1. 本研究中使用的UV-ALD的示意图a)装置和b)过程(1个周期)。

图2. 对Si基底上的UV-ALD Al₂O₃膜的表征：a）基于X射线反射（XRR）的密度和粗糙度总结，b）通过UV-ALD沉积的Al₂O₃薄膜的XPS光谱（UV0/5/20），c-e）c）UV0，d）UV5和e）UV20的O1s峰的高分辨率XPS光谱，以及f）基于O1s峰解卷积的Al₂O₃和（Al₂O₃ + AlOOH）峰之间面积强度比的总结。

图3. UV-ALD Al₂O₃薄膜在石墨烯上的原子力显微镜（AFM）图像：a）UV0，b）UV5，c）UV20，d）UV50，以及e）线性剖面的比较。f）来自AFM分析的晶粒尺寸和面积覆盖率总结。g）UV-ALD Al₂O₃薄膜在石墨烯上的XPS光谱，以及h）GI-XRD光谱。

图4. a）紫外光辅助原子层沉积（UV-ALD）Al₂O₃薄膜的拉曼光谱，以及b）带有UV-ALD（UV0/5/20/50）Al₂O₃层的石墨烯的G峰峰值位置和半峰宽。c）UV0，d）UV5，e）UV20和f）UV50的高分辨率光谱。

图5. a）Al₂O₃ / Au / 石墨烯GFETs结构的器件示意图。b）带有UV0/5/20/50 ALD Al₂O₃介电层的GFETs的传输特性。c、d）根据UV照射时间总结的GFETs的达克电压（VDirac）和空穴迁移率（µh）（灰色线表示ALD之前裸露石墨烯的性质）。

结论

研究人员首次成功地将紫外光辅助原子层沉积（UV-ALD）技术应用于石墨烯基底，并展示了通过UV-ALD沉积的Al₂O₃介电薄膜提升的GFETs性能。在ALD过程中，最佳的UV照射，即每个循环5秒（UV5），通过重建亲密的石墨烯-介质界面上的成核位点，诱导了均匀薄膜的生长；它还在低温（<100°C）下为配体交换提供了不足的热能，导致了高质量的Al₂O₃薄膜沉积，即更加致密、平滑和纯净。相反，过量的UV照射（UV20/50）可能会导致非均匀薄膜沉积，可能是由于在ALD半周期中是反应位点的石墨烯上的-OH或TMA的脱键。因此，具有优质UV-ALD介电层的GFETs在最佳UV照射下表现出改进的性能，VDriac接近0V，µh为1221 cm² V⁻¹ s⁻¹，与具有热ALD介电层的GFET相比，提高了约3倍。该研究展示的成功将低温UV-ALD应用于具有高质量介电-石墨烯界面的GFETs，可能在实现高性能的石墨烯或其他二维材料（例如MoS₂、h-BN）基柔性电子器件方面具有重要意义。

原文：https://doi.org/10.1002/aelm.202300074