Propriedades eletrônicas resolvidas atomicamente em grafeno de camada única em α

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18743 (2022) Citar este artigo

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A deposição de vapor químico livre de metal (CVD) de grafeno de camada única (SLG) em safira c-plane foi recentemente demonstrada para diâmetros de wafer de até 300 mm, e a alta qualidade das camadas SLG é geralmente caracterizada por métodos integrais. Aplicando uma abordagem de análise abrangente, são reveladas interações distintas na interface grafeno-safira e variações locais causadas pela topografia do substrato. As regiões próximas às bordas dos degraus de safira mostram pequenas rugas com uma altura de cerca de 0,2 nm, emolduradas por grafeno delaminado, conforme identificado pelo típico cone de Dirac de grafeno livre. Em contraste, a adsorção de CVD SLG nos terraços α-Al2O3 (0001) terminados em hidroxila resulta em uma superestrutura com uma periodicidade de (2,66 ± 0,03) nm. As ligações de hidrogênio fracas formadas entre a superfície de safira hidroxilada e o sistema de elétrons π do SLG resultam em uma interface limpa. A injeção de carga induz um gap na camada de grafeno adsorvido de cerca de (73 ± 3) meV no ponto Dirac. A boa concordância com as previsões de uma análise teórica sublinha o potencial deste sistema híbrido para aplicações eletrônicas emergentes.

Materiais bidimensionais (2DMs) são considerados os principais candidatos para estender significativamente a funcionalidade dos chips de silício, referidos como 'CMOS + X'. A co-integração de 2DMs com tecnologia de silício aumenta a perspectiva de desempenho substancial e ganhos funcionais em áreas como 'More than Moore', circuitos fotônicos integrados, computação neuromórfica e tecnologias quânticas1. A excelente estabilidade estrutural, térmica e química combinada com flexibilidade mecânica e robustez elétrica pode ser de particular interesse para dispositivos memristivos, que são considerados componentes-chave para computação de borda de próxima geração2,3,4,5,6. Recentemente, Wang et al. demonstrou um dispositivo de grafeno/MoS2−xOx/grafeno que exibe excelente desempenho de comutação resistiva com resistência de até 107 a uma temperatura de operação de 340 °C7. No entanto, mais pesquisas são necessárias para uma compreensão mais profunda do papel das propriedades e defeitos interfaciais, especialmente aqueles formados durante o crescimento e esfoliação8. Para explorar totalmente as propriedades excepcionais de 2DMs para novos conceitos de computação neuromórfica, é necessário um processo escalável compatível com a tecnologia de semicondutores para obter material de alta qualidade em tamanhos de wafer tecnologicamente relevantes9.

A deposição de vapor químico (CVD) provou ser uma rota de síntese confiável, reprodutível e tecnologicamente viável para filmes SLG em escala de wafer caracterizados por boa cristalinidade, baixas densidades de impurezas e compatibilidade total com back-end de linha em larga escala (BEOL ) integração. SLG de grande área foram inicialmente fabricados por CVD em Cu, que serve como um catalisador para a decomposição de fontes de hidrocarbonetos10,11,12,13. No entanto, as impurezas resultantes da remoção imperfeita de catalisadores metálicos e do PMMA (poli(metil 2-metilpropenoato)), necessário para os processos de transferência, dificultam o uso desse material para produção em alto volume e atendendo aos padrões de semicondutores14,15. Portanto, o interesse atual da pesquisa está focado no crescimento direto do grafeno em substratos isolantes compatíveis com a tecnologia de silício, como α-Al2O3 (0001)16,17,18,19,20. Este substrato padrão na tecnologia de semicondutores compostos garante a disponibilidade em grande volume de wafers de grande diâmetro com a qualidade necessária a um custo razoável21. Além disso, a constante de rede do plano c da safira, 0,476 nm, é quase o dobro da do grafeno (2 × 0,247 nm)22. Estudos recentes demonstraram a adequação de wafers de safira c-plane para CVD direto de SLG17,23,24 de alta qualidade e o aumento de escala para substratos de 150 mm de diâmetro usando um reator de escala de produção (AIXTRON CCS 2D)25. Desde os primeiros relatos de crescimento direto de SLG em safira, o alinhamento do SLG em diferentes superfícies de safira tem sido objeto de várias investigações. Entani et al. e Dou et al. relataram uma forte interação interfacial entre grafeno e α-Al2O3 (0001) dominada por forças eletrostáticas no sistema π do grafeno e elétrons insaturados da camada de oxigênio da superfície α-Al2O3 (0001) formando uma ligação interfacial C–O–Al26, 27. Em contraste, Saito et al. e Ueda et al. descobriram que o crescimento do grafeno na safira do plano c começa a partir de poços de corrosão formados durante o processo CVD. A superfície rica em Al dentro dos pites desempenha um papel central na atividade catalítica para o crescimento de SLG28,29. Esta afirmação também é apoiada pelo trabalho de Mishra et al. e Chen et al., que obtiveram CVD SLG de alta qualidade para α-Al2O3 (0001) tratado em atmosfera de hidrogênio antes da deposição de grafeno em altas temperaturas de 1180 °C e 1400 °C, respectivamente20,25. Valores de mobilidade de portadores à temperatura ambiente acima de 2.000 cm2/Vs e 6.000 cm2/Vs foram relatados. Em contraste com o SLG crescido em wafers não tratados, esses filmes exibiram uma menor densidade de cristas, terraços atômicos bem definidos e melhor qualidade cristalina com uma largura total média na metade do máximo (FWHM) do modo 2D Raman de cerca de 30 cm-1 para 35 cm-1. As razões de intensidade D/G baixa e alta 2D/G de cerca de 0,15 e bem acima de 2, respectivamente, indicam baixa densidade de defeitos e concentração de portadores na faixa inferior de 1012 cm−225. No entanto, o crescente interesse em usar CVD SLG em α-Al2O3 hidratado (0001) para realizar dispositivos eletrônicos em nanoescala para eletrônica de próxima geração, optoeletrônica, computação quântica e neuromórfica, requer uma compreensão físico-química mais detalhada das propriedades eletrônicas do SLG/safira sistema até a escala atômica30,31,32. Em particular, a superfície de energia potencial do SLG na pilha de safira afeta tanto a interface com camadas subsequentemente depositadas de 2DMs com hibridização sp2, como h-BN e dicalcogenetos de metais de transição, quanto as propriedades características de dispositivos funcionais, como confiabilidade, resistência e retenção.