In 2004 maakte het publiek voor het eerst kennis met grafeen:een opmerkelijk dun, flexibel en elektrisch geleidend materiaal met een aanzienlijke sterkte. Het benutten van het potentieel van grafeen als component heeft echter tal van uitdagingen met zich meegebracht.

Voor het maken van op elektrodes gebaseerde transistors zijn bijvoorbeeld extreem dunne diëlektrische films nodig. Helaas heeft dit proces geleid tot een vermindering van de elektrische eigenschappen van grafeen en tot defecten tijdens de implementatie geleid.

Een onderzoeksteam bestaande uit medeonderzoekers, waaronder professor Jihwan An van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Dr. Jeong Woo Shin van de afdeling Werktuigbouwkunde van NTU Singapore, en Geonwoo Park van de afdeling van MSDE bij SEOULTECH maakte gebruik van een nieuwe aanpak genaamd UV-assisted atomic layer deposition (UV-ALD) om de grafeenelektrode te behandelen.

Deze baanbrekende techniek resulteerde in de succesvolle productie van hoogwaardige grafeen-diëlektrische interfaces. Hun bevindingen zijn opgenomen in Advanced Electronic Materials .

Het onderzoeksteam werd de eerste die UV-ALD toepaste op de afzetting van diëlektrische films op het oppervlak van grafeen, een 2D-materiaal. Atoomlaagafzetting (ALD) omvat het toevoegen van ultradunne lagen op atomaire schaal aan een substraat, en de betekenis ervan is aanzienlijk toegenomen naarmate halfgeleidercomponenten kleiner zijn geworden. UV-ALD, dat ultraviolet licht combineert met het afzettingsproces, maakt meer diëlektrische filmplaatsing mogelijk dan traditionele ALD. Niemand had echter de toepassing van UV-ALD voor 2D-materialen zoals grafeen onderzocht.

Het onderzoeksteam gebruikte UV-licht met een laag energiebereik (minder dan 10 eV) om diëlektrische films uit de atomaire laag op het grafeenoppervlak af te zetten, waardoor het grafeenoppervlak effectief werd geactiveerd zonder de inherente eigenschappen ervan in gevaar te brengen. Deze activering werd bereikt onder specifieke omstandigheden (binnen 5 seconden per cyclus tijdens het ALD-proces), wat de mogelijkheid aantoont om diëlektrische films met een hoge dichtheid en hoge zuiverheid af te zetten bij lage temperaturen (lager dan 100 ℃).

Bovendien bleven de uitzonderlijke elektrische eigenschappen van grafeen intact toen grafeen-veldeffecttransistors werden vervaardigd met behulp van het UV-ALD-proces. Het resultaat was een drievoudige toename van de ladingsmobiliteit en een significante verlaging van de Dirac-spanning als gevolg van de verminderde defecten op het grafeenoppervlak.

Professor Jihwan An, die het onderzoek leidde, legde uit:"Door UV-ALD hebben we een hoogwaardige grafeen-diëlektrische interface bereikt." Hij voegde eraan toe:"Ons onderzoek resulteerde in een uniforme afzetting van atomaire lagen zonder de eigenschappen van dit 2D-materiaal in gevaar te brengen. Ik hoop dat deze ontwikkeling de weg zal vrijmaken voor de volgende generatie halfgeleider- en energie-apparaten."

Meer informatie: Geonwoo Park et al., Hoogwaardige grafeen-diëlektrische interface door UV-ondersteunde atomaire laagafzetting voor grafeenveldeffecttransistor, Geavanceerde elektronische materialen (2023). DOI:10.1002/aelm.202300074

Aangeboden door Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie