2D-materialen bevorderen: het doel bereiken met UV-geassisteerde atoomlaagafzetting

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

Het maken van op elektroden gebaseerde transistors vereist bijvoorbeeld het afzetten van extreem dunne diëlektrische films. Helaas heeft dit proces geleid tot een vermindering van de elektrische eigenschappen van grafeen en veroorzaakte het defecten tijdens de implementatie.

Een onderzoeksteam bestaande uit medeonderzoekers, waaronder professor Jihwan An van de afdeling Werktuigbouwkunde aan 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 gebruikte een nieuwe benadering genaamd UV-assisted atomic layer deposition (UV-ALD) om de grafeenelektrode te behandelen.

Deze baanbrekende techniek resulteerde in de succesvolle productie van een hoogwaardige grafeen-diëlektrische interface. Hun bevindingen waren te zien in Geavanceerde elektronische materialen.

Het onderzoeksteam was de eerste die UV-ALD toepaste op de afzetting van diëlektrische films op het oppervlak van grafeen, een 2D-materiaal. Atomic Layer Deposition (ALD) omvat het toevoegen van ultradunne lagen op atomaire schaal aan een substraat, en het belang ervan is aanzienlijk toegenomen naarmate halfgeleidercomponenten kleiner zijn geworden. UV-ALD, dat ultraviolet licht combineert met het depositieproces, 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 van de atoomlaag 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 aantoont dat het mogelijk is om diëlektrische films met een hoge dichtheid en een hoge zuiverheid af te zetten bij lage temperaturen (onder 100 ℃).

Bovendien, toen grafeenveldeffecttransistors werden vervaardigd met behulp van het UV-ALD-proces, bleven de uitzonderlijke elektrische eigenschappen van het grafeen intact. Het resultaat was een drievoudige toename van de ladingsmobiliteit en een significante verlaging van de Dirac-spanning vanwege 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 verder toe: “Ons onderzoek resulteerde in uniforme afzetting van atomaire lagen zonder de eigenschappen van dit 2D-materiaal in gevaar te brengen. Ik hoop dat deze ontwikkeling de weg vrijmaakt voor de volgende generatie halfgeleider- en energie-apparaten.”