Графеновое устройство и способ его изготовления

Графеновое устройство и способ его изготовления

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данная заявка в общем касается устройства, включающего графен, и способа изготовления устройства, включающего графен.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Графен - это имеющий толщину в один атом планарный лист sp2-связанных атомов углерода, которые плотно упакованы в сотовой кристаллической решетке. Он может рассматриваться как проволочная сетка атомного уровня, сформированная из атомов углерода и их связей. Графен демонстрирует новые типы фундаментальных физических свойств, отсутствующие в других материалах. С точки зрения устройств, самыми интересными особенностями графена являются высокая подвижность носителей заряда с баллистическим переносом, высокая плотность тока, высокая удельная теплопроводность и возможность управлять электрическими свойствами. В 2004 году цельные листы графена, действительно двумерные кристаллы углерода атомарной толщины, были контролируемым образом изолированы путем механического отслоения от графитового объема. Недавно было обнаружено, что могут быть произведены листы из графена. Эти листы из графена являются хорошими проводниками, например, приблизительно в 20 раз лучшими, чем кремниевые МОП-транзисторы.

Сетки из нанопроволок (nanowire), например из углеродных нанотрубок или кремниевых нанопроволок, изучались в течение многих лет. Однако эти сетки имеют довольно низкую проводимость вследствие высокого сопротивления межпроволочных соединений в пределах сетки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Различные аспекты примеров осуществления изобретения изложены в формуле изобретения.

Согласно первому аспекту данного изобретения, предложено гибкое и поддающееся растяжению, пропускающее свет электронное устройство, содержащее первый графеновый электрод, второй графеновый электрод, графеновый полупроводник и управляющий графеновый электрод, расположенный между первым и вторым графеновыми электродами и находящийся в контакте с графеновым полупроводником, причем каждый из упомянутых электродов имеет пористый графеновый слой, имеющий множество пор.

Устройство может включать пористый графеновый слой, имеющий пористость между 1% и 99%. Пористый графеновый слой может включать наноленту шириной между 0,1 нм и 20 нм. У пористого графенового слоя может быть такая пористость, и он может быть конфигурирован так, что этот пористый графеновый слой является полупроводником. Устройство может включать подложку, при этом пористый графеновый слой расположен на подложке. Подложка может быть конфигурирована так, что она является гибкой или поддающейся растяжению. Устройство может включать подложку, и пористый графеновый слой может покрывать область на подложке площадью между 1 мкм² и 10 см². Пористый графеновый слой может включать одноатомный пористый графеновый слой. Устройство может включать графеновый электрод, имеющий непрерывный слой графена площадью между 1 мкм² и 10 см².

Предложен также способ, включающий травление слоя графена и предотвращение упомянутого травления с использованием нанопроволочной маски.

Согласно другому аспекту данного изобретения, предложено гибкое и поддающееся растяжению, пропускающее свет электронное устройство, содержащее первый графеновый электрод, второй графеновый электрод, графеновый полупроводник, управляющий графеновый электрод, расположенный между первым и вторым графеновыми электродами и находящийся в контакте с графеновым полупроводником, причем каждый из упомянутых электродов имеет пористый графеновый слой, и источник электроэнергии, при этом графеновый полупроводник, а также первый и второй графеновые электроды сконфигурированы так, что подача тока от источника электроэнергии между первым местоположением на первом графеновом электроде и вторым местоположением на втором графеновом электроде устанавливает разность потенциалов между первым местоположением и вторым местоположением, и так, что эта разность потенциалов остается по существу постоянной при изменении первого или второго местоположения.

Предложено также электронное устройство, включающее первый графеновый электрод, второй графеновый электрод, графеновый полупроводник и источник электропитания, при этом каждый из графенового полупроводника и первого и второго графеновых электродов конфигурирован так, что подача тока источником электропитания между первой точкой на первом графеновом электроде и второй точкой на втором графеновом электроде создает разность потенциалов между этими точками, и так, что по существу отсутствует разность потенциалов на первом графеновом электроде, и по существу отсутствует разность потенциалов на втором графеновом электроде.

Предложен также способ приложения разности потенциалов между первой точкой на первом графеновом электроде и второй точкой на втором графеновом электроде, включающий:

(i) расположение графенового полупроводника между этими двумя электродами; и

(ii) пропускание электрического тока через графеновый полупроводник между первой и второй точками, так что между первой и второй точками создается разность потенциалов, и так, что по существу отсутствует разность потенциалов на первом графеновом электроде, и по существу отсутствует разность потенциалов на втором графеновом электроде.

Технический эффект, обеспечиваемый изобретением, может состоять, в частности, в производстве слоев графенов с большой площадью поверхности, обеспечении производства прозрачных электронных устройств, обеспечении производства гибких и/или поддающихся растяжению электронных устройств. Другими техническими преимуществами может быть высокая подвижность носителей заряда, обеспечение баллистического переноса, высокой плотности тока, высокой удельной теплопроводности и возможности управлять электрическими свойствами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более полного понимания вариантов осуществления данного изобретения, обратимся к следующему описанию вместе с сопровождающими чертежами, на которых:

на фиг.1 показан процесс изготовления устройства согласно одному аспекту изобретения;

на фиг.2 показаны два варианта одного из этапов процесса, показанного на фиг.1; и

на фиг.3 показано устройство согласно одному аспекту изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления данного изобретения и его потенциальные преимущества будут понятны при обращении к фиг.1-3 чертежей.

На фиг.1 показан процесс изготовления устройства согласно одному аспекту данного изобретения. Начальный шаг 1 является нанесением слоя графена 12 на подложку 11. Один пример такого процесса нанесения графена путем осаждения описан в заявке US 2009/0110627. Процесс осаждения графена включает формирование катализатора графитирования; температурную обработку источника газообразного углерода в присутствии катализатора графитирования, чтобы сформировать графен, и охлаждение графена, чтобы сформировать графеновый слой 12.

Источник газообразного углерода может включать соединение, имеющее молекулы, содержащие от 1 до 7 атомов углерода, и может включать соединение, выбранное из следующих: монокись углерода, этан, этилен, этиловый спирт, ацетилен, пропан, пропилен, бутан, бутадиен, пентан, пентен, циклопентадиен, гексан, циклогексан, бензол, толуол, метан и комбинация, включающая по меньшей мере одно из вышеуказанных соединений.

Температурная обработка может быть выполнена при температуре между 300°С и приблизительно 2000°С, и между 0,001 часа и приблизительно до 1000 часов. Катализатор графитирования может включать Ni, Co, Fe, Pt Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Та, Ti, W, U, V, Zr или любую их комбинацию. Водород также подается от источника газообразного углерода.

Графеновая пленка 12 может быть произведена химическим осаждением пара, описанным в статье Alfonso Reina et al., Nano Letters, 9 (1), 30-35 (2009); или химическим восстановлением расслоенного графитового оксида, которое описано в статье Stankovich, S. et al., Carbon 2007, 45(7), 1558-1565.

Как только графеновый слой 12 осажден, на шаге 2 непрерывная маска 16 может быть сформирована на графеновом слое 12 посредством электроннолучевой литографии, с использованием фоторезиста из водородного силсесквиоксана (HSQ), как описано в статье "Semiconducting Graphene Ribbon Transistor" (транзистор на полупроводящей графеновой ленте), Zhihong Chen et al., IEEE Xplore, p.265-266. Альтернативно, как только графеновый слой 12 осажден, на шаге 2 непрерывная маска 16 может быть сформирована на графеновом слое 12 посредством осаждения водородного силсесквиоксана (HSQ) в процессе центрифугирования. Пример такого процесса описан в патенте US 6232662.

Как только непрерывная маска 16 осаждена, на шаге 3а осаждается нанопроволочная маска 14. Нанопроволочная маска включает нанопроволоки, такие как кремниевые нанопроволоки, которые могут быть произвольно ориентированы. Шаг 3а может включать формирование кремниевых нанопроволок на жертвенной подложке и перенос кремниевых нанопроволок на графеновый слой 12 механическим контактным давлением. Пример шага 3а описан в статье Javey, A., et al., Nano Lett. 2007,7,773. Альтернативные способы осаждения нанопроволок: центробежное литье, струйная печать, контактная печать с усилием сдвига или взвесь нанопроволок, как описано в "Nanowire lithography on silicon" (нанопроволочная литография на кремнии), Alan Coli et al., Nano Lett, Vol.8, No 5, 2008, p.1358-1362.

Как только нанопроволочная маска 14 осаждена, графен, не защищенный непрерывной маской или нанопроволочной маской 14, удаляют травлением на шаге 4. Это может быть реализовано, например, с использованием кислородной плазмы в устройстве реактивного ионного травления. Один пример травления описан в статье В. Ozyilmaz et al., Appl. Phys.Lett.91, 192107(2007).

Как только шаг 4 выполнен, непрерывную маску 16 удаляют на шаге 5, который включает процесс реактивного ионного травления. Пример процесса описан в патенте US 6211063. Нанопроволочную маску удаляют с использованием раствора фтористого водорода, например, как описано в статье "Single-crystal metallic nanowires and metal/semiconductor nanowire heterostructures" (Однокристальные металлические нанопроволоки и гетероструктуры из металлических/полупроводниковых нанопроволок) Yue Wu et al, Nature, Vol.430, 1 July 2004, p.61-65.

Удаление части графенового слоя 12 приводит к формированию пористого графенового слоя 15, имеющего множество пор, которые могут соответствовать расположению нанопроволок в нанопроволочной маске 14. Пористый графеновый слой 15 может включать ряд графеновых нанолент, каждая из которых имеет наименьший размер, измеренный в плоскости подложки, между 1 нм и 20 нм. Некоторые графеновые наноленты могут быть промежуточными, при этом каждая промежуточная нанолента располагается между по меньшей мере двумя порами, сформированными в графеновом слое 15.

В соответствии со следующим аспектом изобретения, процесс, показанный на фиг.1, может быть повторен, за исключением шага 3, который может быть заменен альтернативным шагом 3b. Шаги 3а и 3b показаны на фиг.2. Шаг 3а является тем же самым, что и шаг 3 на фиг.1. Шаг 3b отличается от шага 3а тем, что около непрерывной маски 16 приложено электрическое поле, так что формируется ориентированная нанопроволочная маска 14b. Ориентированная нанопроволочная маска 14b включает нанопроволоки, которые ориентированы в одном направлении вследствие присутствия электрического поля.

Электрические свойства компонентов, включающих одну или более графеновых лент, могут быть изменены при изменении ширины ленты или лент. В зависимости от ширины, компонент может быть полупроводником или металлическим проводником.

На фиг.3 показано устройство, которое может быть изготовлено при использовании процесса, показанного на фиг.1, или варианта этого процесса, частично показанного на фиг.2. Устройство 31 включает источник электропитания 32, первый графеновый электрод 17 и второй графеновый электрод 18. Устройство также включает графеновый полупроводник 15, который находится между и в электрическом контакте с первым и вторым графеновыми электродами 17, 18. Было показано, что когда графен ограничен нанолентами, он изменяется от полуметаллического до полупроводникового материала, поэтому графеновый полупроводник 15 включает такие наноленты. Разность потенциалов прикладывают между первой точкой 37 на первом графеновом электроде 17 и второй точкой 38 на втором графеновом электроде 18, и электрический ток передают через графеновый полупроводник 15 между первой и второй точками 37, 38, так что между первой и второй точками создается разность потенциалов, и так, что по существу никакой разности потенциалов не приложено к первому графеновому электроду 17, и по существу никакой разности потенциалов не приложено ко второму графеновому электроду 18. Другими словами, разность потенциалов остается постоянной при изменении положения первой или второй точки. Графеновые электроды 17, 18 и графеновый полупроводник 15 могут иметь низкий коэффициент поглощения и/или могут быть гибкими и/или растяжимыми. Устройство 31, показанное на фиг.3, может поэтому быть, по меньшей мере частично, гибким и/или растяжимым, и по меньшей мере частично может пропускать свет через некоторые из своих компонентов. Модификация устройства, показанного на фиг.3, может включать управляющий электрод, расположенный между электродами 17 и 18 в контакте с полупроводником 15, к которому может быть приложен потенциал, и такая модификация может быть частью полевого транзистора.

Не ограничивая объем, интерпретацию или применение приведенных ниже пунктов формулы изобретения ниже, отметим, что технический эффект одного или более вариантов осуществления изобретения, раскрытого здесь, может состоять в производстве слоев графенов с большой площадью поверхности. Другой технический эффект раскрытых здесь одного или более вариантов осуществления изобретения может состоять в производстве прозрачных электронных устройств. Другой технический эффект раскрытых здесь одного или более вариантов осуществления изобретения может состоять в производстве гибких и/или поддающихся растяжению электронных устройств. Еще одним техническим преимуществом может быть высокая подвижность носителей заряда. Еще одним преимуществом может быть по меньшей мере одно из баллистического переноса, высокой плотности тока, высокой удельной теплопроводности и возможности управлять электрическими свойствами.

При желании, различные функции, рассмотренные здесь, могут быть выполнены в другом порядке и/или одновременно друг с другом. Кроме того, при желании, одна или более из вышеописанных функций может быть опциональной или они могут быть объединены.

Хотя различные аспекты изобретения изложены в независимых пунктах формулы изобретения, другие аспекты изобретения включают другие комбинации признаков описанных вариантов осуществления и/или зависимых пунктов формулы изобретения с признаками независимых пунктов формулы изобретения, а не только комбинации, явно изложенные в формуле изобретения.

Также отметим здесь, что выше были описаны варианты осуществления изобретения в качестве примеров его осуществления, и это описание не должно рассматриваться в ограничивающем смысле. Напротив, возможны несколько вариаций и изменений, которые могут быть сделаны в рамках данного изобретения, определенного формулой изобретения.

1. Гибкое и поддающееся растяжению, пропускающее свет электронное устройство, содержащее первый графеновый электрод, второй графеновый электрод, графеновый полупроводник и управляющий графеновый электрод, расположенный между первым и вторым графеновыми электродами и находящийся в контакте с графеновым полупроводником, причем каждый из упомянутых электродов имеет пористый графеновый слой, имеющий множество пор.

2. Электронное устройство по п.1, включающее множество пористых графеновых слоев.

3. Электронное устройство по п.1, в котором пористый графеновый слой включает графеновую ленту,

4. Электронное устройство по п.3, в котором пористый графеновый слой включает множество графеновых лент.

5. Электронное устройство по п.3, в котором пористый графеновый слой включает множество графеновых лент, ориентированных по существу в одном направлении.

6. Электронное устройство по п.3, в котором графеновая лента включает графеновую наноленту.

7. Электронное устройство по п.6, в котором пористый графеновый слой включает множество графеновых нанолент.

8. Электронное устройство по п.1, которое включает множество графеновых электродов.

9. Электронное устройство по п.1, в котором графеновый электрод включает графеновый проводник.

10. Электронное устройство по п.1, в котором по меньшей мере 90% площади поверхности графенового электрода находится в контакте с изолятором.

11. Электронное устройство по п.1, в котором графеновый электрод включает непрерывный слой графена.

12. Электронное устройство по п.8, в котором пористый графеновый слой электрически соединяет два из графеновых электродов.

13. Электронное устройство по п.8, в котором пористый графеновый слой электрически соединяет каждый из графеновых электродов.

14. Гибкое и поддающееся растяжению, пропускающее свет электронное устройство, содержащее первый графеновый электрод, второй графеновый электрод, графеновый полупроводник, управляющий графеновый электрод, расположенный между первым и вторым графеновыми электродами и находящийся в контакте с графеновым полупроводником, причем каждый из упомянутых электродов имеет пористый графеновый слой, и источник электроэнергии, при этом графеновый полупроводник, а также первый и второй графеновые электроды сконфигурированы так, что подача тока от источника электроэнергии между первым местоположением на первом графеновом электроде и вторым местоположением на втором графеновом электроде устанавливает разность потенциалов между первым местоположением и вторым местоположением, и так, что эта разность потенциалов остается по существу постоянной при изменении первого или второго местоположения.

15. Электронное устройство по п.14, в котором графеновый полупроводник включает графеновую наноленту шириной от 0,1 нм до 20 нм.