Síntese de grafeno multicamada de área seletiva usando sonda nanoaquecedora resistiva

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7976 (2023) Citar este artigo

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O grafeno tem sido um material de interesse devido às suas propriedades versáteis e grande variedade de aplicações. No entanto, a produção tem sido um dos aspectos mais desafiadores do grafeno e do grafeno multicamadas (MLG). A maioria das técnicas de síntese requer temperaturas elevadas e etapas adicionais para transferir grafeno ou MLG para um substrato, o que compromete a integridade do filme. Neste artigo, a cristalização induzida por metal é explorada para sintetizar localmente MLG diretamente em filmes metálicos, criando um composto MLG-metal e diretamente em substratos isolantes com uma sonda nanoaquecedora resistiva em movimento em condições de temperatura muito mais baixas (~ 250 °C). A espectroscopia Raman mostra que a estrutura de carbono resultante tem propriedades de MLG. A abordagem baseada em ponta apresentada oferece uma solução de fabricação de MLG muito mais simples, eliminando as etapas fotolitográficas e de transferência de MLG.

O grafeno emergiu como um dos materiais mais promissores para a era pós-silício1. O método mais simples de obtenção do grafeno é por meio da esfoliação, que consiste em descascar as camadas de carbono do grafite até obter uma monocamada ou poucas camadas1. No entanto, a técnica de esfoliação é muito demorada. Outro método comum é o Chemical Vapor Deposition (CVD), usado para a síntese de grafeno, que pode produzir camadas de grafeno de grande área2,3, mas é realizado em altas temperaturas (> 950 °C). Além disso, requer a transferência mecânica do grafeno para outras superfícies para posterior processamento. Essas etapas adicionais introduzem impurezas, defeitos, rasgos e rugas, atenuando drasticamente as propriedades do grafeno4,5,6,7. Portanto, a síntese de grafeno em baixa temperatura e sem transferência é altamente desejável para aplicações industriais de grande área, particularmente para conservar a integridade mecânica da baixa constante dielétrica de dielétricos intermetálicos comumente usados ​​na fabricação de circuitos integrados (IC)8,9,10.

Multilayer Graphene (MLG) é uma excelente opção para fiação e eletrodos em aplicações que requerem altas condutividades elétricas/térmicas. A síntese de grafeno com um número controlável de camadas foi possível controlando a espessura da camada de carbono amorfo evaporado e induzindo a cristalização catalisada por metal a 650–950°C11. Quando aquecidos, os átomos de carbono se difundem no metal e precipitam na superfície enquanto esfriam11. Também foi relatado que o MLG se forma na interface entre o metal e o substrato a 800°C12. Essa troca entre um catalisador metálico e um material do grupo IV é conhecida como Layer Exchange (LE)13. A cristalização induzida por metal (MIC) é um método simples e eficaz para diminuir a temperatura de síntese de MLG diretamente em substratos induzindo o LE. A síntese ocorre diretamente no substrato, eliminando etapas adicionais de transferência mecânica de MLG. O estanho (Sn) tem a vantagem sobre outros metais de permitir a síntese na superfície do metal e no substrato isolante a 250°C devido ao seu baixo ponto de fusão14.

Neste trabalho, sintetizamos MLG diretamente em Sn e no substrato isolante a baixa temperatura (≈250 °C) usando o MIC-LE14. Em vez de aquecer toda a amostra, o aquecimento localizado em um local desejado na amostra é fornecido com uma ponta de prova de nanoaquecedor resistivo. Métodos baseados em pontas de nanoaquecedores têm sido usados ​​para reduzir filmes isolantes de óxido de grafeno (GO) para criar localmente grafeno15,16,17; no entanto, esta é a primeira vez que o aquecimento baseado em ponta é usado com MIC-LE para síntese de MLG. Este novo método é compatível com os processos de fabricação existentes e tem potencial de expansão para aplicações de alto rendimento18,19,20,21,22. A síntese direta, sem transferência e sem máscara de MLG em metais e substratos isolantes alcançada neste trabalho permite a integração de MLG com processamento complementar de óxido metálico semicondutor (CMOS)23.