ПЛОТНОСТЬ ТОКА ПРОБОЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ГРАФЕНОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫРАЩЕННЫХ ХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ

 

 

Кононюк Евгений Сергеевич

студент Национального технического университета Украины «Киевский политиехнический институт»  г. Киев

Галкин Владимир Павлович

студент Национального технического университета Украины «Киевский политиехнический институт»  г. Киев

 

ПЛОТНОСТЬ ТОКА ПРОБОЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ГРАФЕНОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫРАЩЕННЫХ ХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ


Аннотация - Графеновые провода изготавливаются из больших по площади многослойных графеновых пластин методом химического осаждения из паровой фазы. При увеличении концентрации метана  наращивается больший процент толстых графеновых слоев. Многослойные графеновые пластины имеют в среднем толщину 10-20 нм с поверхностным сопротивлением 500-1000 Ом/кв. Поверхностное сопротивление показывает сильное соотношение со средней шероховатостью поверхности. В этой статье говорится, что измеренная плотность тока пробоя может достигать 4х107 А/см2 и резистивный нагрев предлагается как основной механизм пробоя. Увеличение однородности графеновых слоев является важным условием на пути достижения увеличения плотности тока пробоя.

Ключевые слова:  плотность тока, графен, взаимодействие.  

Введение

В последние годы соединения стали все более сложной конструкции в то время как производительность их не улучшается в том же темпе, что и транзисторное масштабирование. Большой интерес растет в использовании графена в качестве материала для соединений, он обладает высокой подвижностью, баллистическим перемещением, высокой допустимой нагрузкой  по току, высокой теплопроводностью [1, с. 491-495; 2, с. 902-907]. Недавно сообщили, что графен имеет плотность тока порядка 108 А/см2 [3, с.30-35]. Однако такие графеновые компоненты изготавливают из восокопиролитичного графита, который не подходит для крупномасштабного производства. Графеновые компоненты наращенные химическим осаждением из паровой фазы [3, с. 30-35] имеют большую перспективу, как продемонстрировала последняя работа в масштабе производства,  и в монолитной интеграции КМОП.

Графеновые соединения

Недавно, фольгу с меди стали использовать в химическом осаждения из паровой фазы для изготовления одно- или двухслойных графеновых пленок. Однако, в отличие от транзисторного использования, графеновый слой желателен потолще, поскольку это увеличивает производительность и надежность производства. Здесь используются никелевые пленки и быстро охлаждаемые элементы для производства толстых многослойных графеновых пластин. Хотя электрические свойства требуют улучшения, многослойные графеновые пленки изготовленные способом никелированного химического осаждения из паровой фазы более достойные для обеспечения соединения и, следовательно, в этой статье внимание уделяется именно таким пленкам.

Начиная с 500-нм никелевой пленки на SiO2/Si подложке, выращивание осуществляется при 1000°C за 5 минут используя 5-30 см/мин метана и 1300 см/мин водорода ниже атмосферного давления. Как только процесс наращивания закончился, графеновые пластины превращаются в бесцветную 300-нм SiO2/Si подложку [3, с. 30-35].

На (рис.1) показаны видимые изображения графеновых пластин при повышении метановой концентрации. Используя подобный метод найденый в книгах [4, с. 1-4] и других «Выращивание крупномасштабных одно- и двухслойного графена контролируемым карбоновым осаждением на поликристаллическую никелированную подкладку», предварительному расчету площади от одно- до трехслойного графена было обнаружено уменьшение, как только концентрация метана увеличивается примерно до CH4 = 0,6% (объема), после этого, процент площади оставался относительно постоянным на уровне 10%.

Мы представили ​​графеновые пластины со средней высотой в диапазоне 10-20 нм. Заготовленная графеновая пластина превращается в пустую подложку, провода устанавливают границы литографии. Пищеварение кислородной плазмы превращается в резистивное изображение графеновой пленки.  Изготовлены графеновые провода шириной от 1 до 10 мкм и длиной от 2 до 1000 мкм. Cr/Au или Ti/Au металлические контакты добавляются на втором шаге литографии. Семейства ВАХ характеристик подтверждают, что графеновые провода имеют омический контакт и их сопротивление возрастает линейно с длиной, с указанием диффузионного переноса. Было изобретено эффективное поверхностное сопротивление (RS) и измерено 431 прибором. Множество приборов использовались для измерения пробоя.

 

 

Рисунок 1 - Оптичное изображения графеновых плит на Si подложке из 300 нм SiO2 (SiO2/Si). Области темного цвета представляют толстые графеновые слои. Отсчетная шкала 10 мкм.

Рисунок 2 - Измерение поверхностного сопротивления.

Рис.2 показывает измерения RS как функции в зависимости от шероховатости поверхности Rа полученной от измерений атомно-силовой микроскопии. RS изымается из больших плит, используя зондовый метод, а также каждой партии графеновых проводов. RS показывает сильную корреляцию (r = 0.79) с Rа, которая частично связана с концентрацией метана и скорости охлаждения в процессе химического осаждения из паровой фазы. Этот график показывает, что для достижения хорошей равномерности решающее значение имеет низкое RS. Вообще, высококачественные приборы, изготовленные из высоко-пиролитического графита, имеют равномерные графеновые пластинки, и лучшие приборы имеют опоры, которые сравниваются с Сu. Этот результат также соответствует последней работе, где RS ниже 30 Ом/кВ получен с высоко равномерного дырочного четырехслойного графенового листа выращенного с помощью химического осаждения из паровой фазы на медь. Однако такие методы требуют выполнения нескольких переносов моно слоев графеновых плит. Такие приборы имеют больший RS (500-1000 Ом/кв) чем выращенные с помощью химического осаждения на медь (30-280 Ом/кв) и высокотемпературную деструкцию SiC (170-280 Ом/кв). Несмотря на это, быстро растущие многослойные листы значительно увеличивают пропускную способность производства.

 

 

Рисунок 3 - Измерение вольт-амперной характеристики графеновой проволоки, проходит электрический пробой. Вставки показывают оптическое изображение графеновой проволоки до и после измерения. 

Рис. 3 показывает кривую зависимости вольтамперной характеристики графенового провода, который проходит электрический пробой. Все измерения были проведены во внешней среде. Пробой происходит внутри провода, вследствие резистивного нагрева. К сожалению, ток не насыщают к пробою. Графеновые провода, более длинные и имеют меньший самонагрев. Максимальная плотность тока (Jmax) и удельное сопротивление (ρ) рассчитываются по ширине и средней высоте проволоки.

Пластинчатый размер равномерного по толщине выращенного с помощью химического осаждения из паровой фазы графена представленный в этой статье ~ 5 мкм. Графеновые каналы оказываются более равномерными для коротких проводов в то время, когда длинные провода показывают больший разброс в числе слоев.

Заключение

В этой статье характеризуют свойства толстых многослойных графеновых проводов изготовленных из крупных пластин, выращенных с помощью химического осаждения из паровой фазы. В результате процесса химического осаждения из паровой фазы имеем пластины со средней толщиной 10-20 нм с поверхностным сопротивлением 500-1000 Ом/кв. Максимальная плотность тока, измеренная в обычных условиях, составляет 4×107 А/см2. Изменение числа слоев графена непосредственно влияет на поверхностное сопротивление и предельно допустимый ток. Дальнейшая оптимизация процесса может привести к более чистым и равномерным графеновым пластинам, что может привести к снижению поверхностного сопротивления и повышения плотности тока.

 

Список литературы

  1. X. Du, I. Skachko, A. Barker, “Approaching ballis­tic transport in suspended graphene,” Nat. Nanotechnol., vol. 3, no. 8, pp. 491-495, Jul. 2008.
  2. A. Balandin, S. Ghosh, W. Bao, I. Calizo, D. Teweldebrhan, F. Miao, and C. Lau, “Superior thermal conductivity of single-layer graphene,” Nano Lett., vol. 8, no. 3, pp. 902-907, Mar. 2008.
  3. A. Reina, X. Jia,  D. Nezich, H. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus, and J. Kong, “Large area, few-layer graphene films on arbitrary substrates by chemical vapor deposition,” Nano Lett,, vol. 9, no. 1, pp. 30-35, Jan. 2009.
  4. C. Xu, H. Li “Graphene nano-ribbon (GNR) intercon­nects: A genuine contender or a delusive dream?,” in IEDM Tech. Dig., Dec. 2008, pp. 1-4.