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隨著傳統(tǒng)硅基器件的發(fā)展逐漸接近瓶頸,納米材料在新型電子器件中表現(xiàn)出了巨大應(yīng)用潛力。二維材料是由單層或少層原子組成的超薄納米材料。隨著機(jī)械剝離、氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)、原子沉積(ALD)等技術(shù)的不斷發(fā)展,多種高質(zhì)量的二維材料已被成功制備,如石墨烯、黑鱗(BP)、氮化硼、過(guò)渡金屬二硫化物等。二維材料不僅為新型納米器件的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)豐富的材料庫(kù),同時(shí)其優(yōu)異的機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)性能成為了研制場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、光電探測(cè)器、超級(jí)電容、傳感器、憶阻器以及柔性器件的關(guān)鍵材料。

目前因特爾、臺(tái)積電等國(guó)際龍頭半導(dǎo)體公司已將二維材料納入新型芯片研發(fā)的技術(shù)路線中。為推進(jìn)二維材料在芯片及電子系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化,其后處理方法與工藝也成為了關(guān)鍵技術(shù)。一方面,二維材料后處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)材料高精度的劃切、減薄、形變,是納米器件制造的重要手段。另一方面,該技術(shù)也可以對(duì)材料的結(jié)構(gòu)及本征特性進(jìn)行調(diào)控,進(jìn)一步提高材料與器件的遷移率、開(kāi)關(guān)比、光響應(yīng)速度等,以滿足高性能納米器件研制的需求。目前,常見(jiàn)的二維材料后處理方法包括摻雜技術(shù)、應(yīng)變工程、等離子處理、光輻照技術(shù)等。這些不僅可以對(duì)二維材料進(jìn)行納米級(jí)精度的切割、減薄、燒蝕等加工,同時(shí)也可以對(duì)材料進(jìn)行氧化還原、相變等改性以及誘導(dǎo)納米缺陷、納米結(jié)構(gòu)等,可實(shí)現(xiàn)材料與器件性能的定向調(diào)控。

等離子處理技術(shù)

等離子處理是一種基于等離子體技術(shù)的表面處理技術(shù),通常用于改變材料表面的化學(xué)和物理性質(zhì),以增強(qiáng)其特定的性能。等離子處理通過(guò)將氣體放電形成的等離子體作用于材料表面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

等離子處理過(guò)程中,真空狀態(tài)下等離子反應(yīng)室產(chǎn)生高能電場(chǎng)將氣體(如氧氣、氮?dú)?、氬氣?電離,形成等離子體(物質(zhì)除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的第四態(tài)),等離子體是一種高度激發(fā)的氣態(tài)分子和離子的混合物,具有高能量、高速度和高反應(yīng)性。這些高度活躍的微粒子與被處理材料的表面發(fā)生作用,以此來(lái)改變材料表面的物理和化學(xué)性質(zhì)。

等離子體處理具有高效、潔凈度高、可控性好等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于二維材料表面修飾、改性和摻雜等工藝流程。

在等離子體的轟擊下,二維材料表面的共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵等會(huì)被破壞,部分原子或分子會(huì)被去除。因此,等離子處理技術(shù)可以對(duì)二維材料進(jìn)行納米級(jí)精度的蝕除,實(shí)現(xiàn)材料的高精度減薄。

等離子處理技術(shù)不僅可以對(duì)二維材料進(jìn)行納米精度的減薄、切割等加工,同時(shí)也可以對(duì)材料進(jìn)行改性,以改善材料的物理化學(xué)特性,提高器件性能。

由于可以采用不同氣體產(chǎn)生等離子體,因此采用與二維材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體可以對(duì)材料進(jìn)行氧化還原、摻雜、誘導(dǎo)缺陷等改性。

二維材料的等離子刻蝕與改性

綜上所述：等離子處理技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料的減薄、切割,也可以誘導(dǎo)材料發(fā)生氧化還原、缺陷形成、相變以及摻雜等,使材料的晶格結(jié)構(gòu)、元素組成發(fā)生變化,進(jìn)而提高電子器件、光電器件的遷移率、開(kāi)關(guān)比、響應(yīng)時(shí)間、光響應(yīng)度等性能，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件提供了技術(shù)手段。