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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。隨著機械剝離、氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)、原子沉積(ALD)等技術的不斷發(fā)展,多種高質量的二維材料已被成功制備,如石墨烯、黑鱗(BP)、氮化硼、過渡金屬二硫化物等。二維材料不僅為新型納米器件的實現(xiàn)提供了一個豐富的材料庫,同時其優(yōu)異的機械、電學、光學性能成為了研制場效應晶體管(FET)、光電探測器、超級電容、傳感器、憶阻器以及柔性器件的關鍵材料。

目前因特爾、臺積電等國際龍頭半導體公司已將二維材料納入新型芯片研發(fā)的技術路線中。為推進二維材料在芯片及電子系統(tǒng)領域的產業(yè)化,其后處理方法與工藝也成為了關鍵技術。一方面,二維材料后處理技術可以實現(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,該技術也可以對材料的結構及本征特性進行調控,進一步提高材料與器件的遷移率、開關比、光響應速度等,以滿足高性能納米器件研制的需求。目前,常見的二維材料后處理方法包括摻雜技術、應變工程、等離子處理、光輻照技術等。這些不僅可以對二維材料進行納米級精度的切割、減薄、燒蝕等加工,同時也可以對材料進行氧化還原、相變等改性以及誘導納米缺陷、納米結構等,可實現(xiàn)材料與器件性能的定向調控。

等離子處理技術

等離子處理是一種基于等離子體技術的表面處理技術,通常用于改變材料表面的化學和物理性質,以增強其特定的性能。等離子處理通過將氣體放電形成的等離子體作用于材料表面來實現(xiàn)。

等離子處理過程中,真空狀態(tài)下等離子反應室產生高能電場將氣體(如氧氣、氮氣、氬氣等)電離,形成等離子體(物質除固態(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,以此來改變材料表面的物理和化學性質。

等離子體處理具有高效、潔凈度高、可控性好等優(yōu)點,因此被廣泛應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鍵、離子鍵、金屬鍵等會被破壞,部分原子或分子會被去除。因此,等離子處理技術可以對二維材料進行納米級精度的蝕除,實現(xiàn)材料的高精度減薄。

等離子處理技術不僅可以對二維材料進行納米精度的減薄、切割等加工,同時也可以對材料進行改性,以改善材料的物理化學特性,提高器件性能。

由于可以采用不同氣體產生等離子體,因此采用與二維材料發(fā)生化學反應的氣體可以對材料進行氧化還原、摻雜、誘導缺陷等改性。

二維材料的等離子刻蝕與改性

綜上所述：等離子處理技術不僅可以實現(xiàn)對二維材料的減薄、切割,也可以誘導材料發(fā)生氧化還原、缺陷形成、相變以及摻雜等,使材料的晶格結構、元素組成發(fā)生變化,進而提高電子器件、光電器件的遷移率、開關比、響應時間、光響應度等性能，為實現(xiàn)復雜結構的器件提供了技術手段。