저항성 나노히터 프로브를 이용한 선택적 영역 다층 그래핀 합성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7976(2023) 이 기사 인용

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그래핀은 다양한 특성과 다양한 응용으로 인해 관심을 끄는 소재였습니다. 그러나 생산은 그래핀과 다층 그래핀(MLG)의 가장 어려운 측면 중 하나였습니다. 대부분의 합성 기술은 그래핀 또는 MLG를 기판에 전사하기 위해 높은 온도와 추가 단계가 필요하며, 이는 필름의 무결성을 손상시킵니다. 본 논문에서는 훨씬 낮은 온도 조건(~250°C)에서 움직이는 저항성 나노히터 프로브를 사용하여 MLG-금속 복합체를 생성하고 절연 기판에 직접 금속 필름에서 직접 MLG를 국부적으로 합성하기 위해 금속 유도 결정화를 탐구합니다. 라만 분광법은 결과 탄소 구조가 MLG의 특성을 가지고 있음을 보여줍니다. 제시된 팁 기반 접근 방식은 MLG의 포토리소그래피 및 전사 단계를 제거하여 훨씬 간단한 MLG 제조 솔루션을 제공합니다.

그래핀은 포스트실리콘 시대를 위한 가장 유망한 소재 중 하나로 떠올랐습니다1. 그래핀을 얻는 가장 간단한 방법은 단층 또는 소수의 층이 얻어질 때까지 흑연에서 탄소 층을 벗겨내는 박리를 이용하는 것입니다1. 그러나 각질 제거 기술은 시간이 많이 걸립니다. 또 다른 일반적인 방법은 그래핀 합성에 사용되는 화학 기상 증착(CVD)으로, 대면적 그래핀 층을 생성할 수 있지만 고온(> 950°C)에서 수행됩니다. 또한 추가 가공을 위해서는 그래핀을 다른 표면으로 기계적으로 전달해야 합니다. 이러한 추가 단계는 불순물, 결함, 찢어짐 및 주름을 발생시켜 그래핀4,5,6,7의 특성을 극적으로 약화시킵니다. 따라서 저온 및 무전이 그래핀 합성은 특히 집적 회로(IC) 제조8,9,10에서 일반적으로 사용되는 금속간 유전체의 낮은 유전 상수의 기계적 무결성을 보존하기 위해 대규모 산업 응용 분야에 매우 바람직합니다.

MLG(다층 그래핀)는 높은 전기/열 전도성이 필요한 응용 분야의 배선 및 전극을 위한 탁월한 옵션입니다. 증발된 비정질 탄소층의 두께를 조절하고 650~950°C에서 금속 촉매 결정화를 유도함으로써 제어 가능한 층 수의 그래핀 합성이 가능해졌습니다. 가열되면 탄소 원자가 금속으로 확산되어 냉각되는 동안 표면에 침전됩니다11. MLG는 또한 800°C12에서 금속과 기판 사이의 경계면에서 형성되는 것으로 보고되었습니다. 금속 촉매와 IV족 물질 사이의 이러한 교환은 층 교환(LE)13으로 알려져 있습니다. 금속 유도 결정화(MIC)는 LE를 유도하여 기판에서 MLG의 합성 온도를 직접 낮추는 간단하고 효과적인 방법입니다. 합성은 기판에서 직접 이루어지므로 기계적으로 MLG를 전달하는 추가 단계가 필요하지 않습니다. 주석(Sn)은 낮은 녹는점으로 인해 다른 금속에 비해 250°C에서 금속 표면과 절연 기판에서 합성이 가능하다는 장점이 있습니다14.

이 연구에서는 MIC-LE14를 사용하여 Sn과 절연 기판에서 MLG를 저온(약 250°C)에서 직접 합성합니다. 전체 샘플을 가열하는 대신 저항성 나노히터 프로브 팁을 사용하여 샘플의 원하는 위치에 국부적인 가열을 제공합니다. 나노 히터 팁 기반 방법은 절연 그래핀 산화물 필름(GO)을 감소시켜 국부적으로 그래핀15,16,17을 생성하는 데 사용되었습니다. 그러나 MLG 합성을 위해 MIC-LE와 함께 팁 기반 가열이 사용되는 것은 이번이 처음입니다. 이 새로운 방법은 기존 제조 공정과 호환되며 처리량이 높은 응용 분야로 확장될 가능성이 있습니다. 이 작업에서 달성된 금속 및 절연 기판에 MLG를 직접, 전송 및 마스크 없이 합성하면 MLG와 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 처리가 통합될 수 있습니다.