CN115060929A - 一种二维材料缺陷调控与快速表征的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维材料缺陷调控与快速表征的方法，包括以下步骤：S1.制备二维材料：在非导体衬底表面进行二维材料的制备；S2.二维材料缺陷引入：将制备好的二维材料置于等离子体装置中，通入实验气体后利用等离子体对二维材料表面进行类型、密度与深度可控的缺陷引入；S3.二维材料缺陷的表征：在对二维材料进行缺陷引入后，使用原子力显微镜对其进行缺陷的快速分布表征与深度表征。上述技术方案中提供的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，能够利用低功率等离子体辅助技术在二维材料表面进行缺陷深度可控引入，并能够对缺陷进行快速表征。

Description

一种二维材料缺陷调控与快速表征的方法

技术领域

本发明涉及二维材料微电子技术领域，具体涉及一种二维材料缺陷可控引入的方法以及能够对二维材料缺陷快速有效表征的方法。

背景技术

二维材料作为新兴材料的重要成员，其制备与应用研究仍是当前材料领域的重要发展方向，尤其是在高质量二维晶体的制备与应用方面。在材料的制备与应用过程中，难以避免的会引入各种各样的缺陷，而这些缺陷会对材料的性能与后期的应用产生很大影响。基于此，对二维材料的缺陷进行深入研究并实现对其缺陷可控引入与性能调控就成为了当前需要研究的重要课题。另外，在微电子领域，如何实现绝缘衬底表面二维材料的大面积制备从而实现免转移应用，也是当前大家研究的热点。因此，如何实现对绝缘衬底表面二维材料缺陷的可控引入与有效利用，是当前拓展二维材料在更广泛领域应用的重要课题。

二维材料中缺陷的存在可以改变其电学、化学与机械等性能，而且还可以通过为化学反应提供位点，实现对二维材料的化学掺杂。通过对二维材料的缺陷进行深入研究，一方面可以通过缺陷对材料进行性能调控和化学掺杂实现对缺陷的有效利用，另一方面可以实现对材料的缺陷进行修复等。

等离子体是由气体电离产生的第四种物质形态，包含有等量的正负离子，由于等离子体中带电粒子的高活性，使得等离子体技术为在二维材料表面的缺陷引入提供了一种高效途径。同时等离子体技术是一个低能耗的过程，不会产生化学废物，是一种非常高效的环保技术。

目前二维材料领域一直无法解决二维材料的大面积制备与高质量应用之间的矛盾。在绝缘衬底表面进行二维材料的直接制备，并进行性能调控以实现直接应用，是解决这一难题的最有效手段。因此针对绝缘衬底表面等离子体处理二维材料缺陷的本质和缺陷类型与密度等对材料性能影响的研究就成为了非常重要的前提工作，这可以为未来实现二维材料缺陷修复与缺陷有效利用奠定基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维材料缺陷调控与快速表征的方法，能够利用低功率等离子体辅助技术在二维材料表面进行缺陷深度可控引入，并能够对缺陷进行快速表征。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种二维材料缺陷调控与快速表征的方法，包括以下步骤：

S1.制备二维材料：在非导体衬底表面进行二维材料的制备；

S2.二维材料缺陷引入：将制备好的二维材料置于等离子体装置中，通入实验气体后利用等离子体对二维材料表面进行类型、密度与深度可控的缺陷引入；

S3.二维材料缺陷的表征：在对二维材料进行缺陷引入后，使用原子力显微镜对其进行缺陷的快速分布表征与深度表征。

其中，步骤S1的非导体衬底材料为半导体或者绝缘衬底；二维材料的制备方法为机械剥离、化学气相沉积法或液相剥离法；二维材料为石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼或其它可以在空气中稳定存在的二维材料。

步骤S2的等离子体装置为等离子体化学气相沉积系统、等离子体增强管式炉系统、低功率等离子体清洗机或其它可以产生等离子体的设备；步骤S2的实验气体为氩气、氢气、氧气、氮气中的一种或多种；缺陷引入的调控条件为实验气体种类、气体流量、气氛压强、等离子体功率、处理时间或样品加热温度。

其中，原子力显微镜使用的探针型号为SNL-10，扫描模式为接触模式；且样品扫描过程中探针运动方向与图像扫描方向的角度为90°，扫描过程中探针与样品之间的力为1~20 nN；扫描的尺寸为20 μm，10 μm，5 μm，3 μm，1 μm，500 nm，200 nm。

步骤S3的二维材料缺陷分布表征是在扫描过程中，摩擦力图像中缺陷存在区域会与无缺陷区域存在衬度差，通过摩擦力图像可以实现对缺陷分布信息的直接获取。

步骤S3的二维材料缺陷深度表征是通过对二维材料缺陷引入后进行表面刻蚀进行缺陷深度判定的：缺陷刻蚀完成后，通过原子力显微镜扫描，分析高度图像，得到刻蚀层数信息，即对应缺陷引入深度信息。其中，刻蚀气体为氧气，气体流量为0~50 sccm，刻蚀时间为1~30 min，衬底加热温度为300~1200℃。

上述技术方案中提供的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，利用低功率等离子体技术实现缺陷大面积均匀引入，通过改变缺陷引入的参数实现缺陷在二维材料表面的深度与密度控制，从而实现对材料的导电、热稳定性等性能的调控。二维材料的平面特性使得等离子体技术在缺陷引入方面更具有优势，例如在大范围处理方面，可以通过等离子体技术实现特定气氛条件下的大范围均匀处理，也使未来批量化二维材料处理成为可能。

本发明的缺陷调控方法操作方便，高效环保，可控变量较多，如等离子体功率、时间、气氛以及衬底温度等，均可方便调节，实验操作简单，可以实现快速的缺陷引入与调控；并且通过原子力显微镜进行扫描，可实现对二维材料的非破坏性快速表征，并对特定位置缺陷情况进行精确定位。同时，该方法可以与现有半导体工艺相兼容，实现石墨烯等二维材料的直接应用。

附图说明

图1为等离子体在六方氮化硼表面引入缺陷示意图；

图2为等离子体处理10min后的石墨烯表面摩擦力图像；

图3为等离子体处理10min后的六方氮化硼表面摩擦力图像；

图4为等离子体功率50W处理后氧气刻蚀的六方氮化硼表面高度图像；

图5为等离子体功率20W处理后氧气刻蚀的六方氮化硼表面高度图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

以下实施了均选用碳化硅衬底4H-SiC，碳化硅尺寸为5×5 mm，厚度为0.5 mm。

实施例1

一种二维材料缺陷调控与快速表征的方法，包括以下步骤：

（1）碳化硅衬底清洗

将碳化硅放入烧杯中，倒入丙酮20 ml，使用超声清洗机在30℃条件下超声清洗5min，超声功率为100 W。超声结束后倒出丙酮，加入50 ml去离子水，相同条件下超声5 min。随后倒出去离子水，加入20 ml异丙醇，相同条件下使超声5 min。最后，使用氮气吹干，并放入干燥干净的环境中保存。

（2）碳化硅衬底刻蚀预处理

将清洗好的碳化硅衬底放入石墨管中间区域，石墨管放入管式炉腔体，碳化硅尽量靠近热电偶加热区域，管式炉两边放置炉堵隔离热量，管式炉一侧通入氩气与氢气，气流大小分别为50 sccm与4 sccm，刻蚀处理温度为1600℃，刻蚀处理时间为20 min，在温度升到1000℃前，使用真空泵提供低压对腔体进行清洗，1000℃后关闭真空泵充压至常压。

（3）碳化硅衬底表面制备石墨烯

将清洗及预处理后的碳化硅衬底放石墨坩埚中，并用坩埚盖覆盖，在坩埚盖中间有一直径为5 mm的圆形小孔。石墨烯生长温度为1750℃，生长时间为60 min，氩气与氢气流量分别为50 sccm与10 sccm，实验过程均为常压，由此实现碳化硅表面石墨烯制备。

（4）利用低功率等离子体辅助二维材料缺陷引入

向等离子体增强管式炉通入氩气，气体流量为为50 sccm，等离子体功率为50 W，使用真空泵提供低压，腔内压力不超过50 Pa，处理温度为500℃，处理时间为10 min。

（5）对二维材料缺陷分布进行快速表征

选择原子力显微镜对二维材料缺陷分布进行表征，首先选择接触模式，使用的探针型号为SNL-10，实验过程中调节激光在检测四象限位置，使水平偏移量为0V，使竖直偏移量为-2 V（此时探针对样品压力约为10 nN），扫描角度为90°，所得结果如图2所示，扫描尺寸为500 nm。通过原子力显微镜的摩擦力图像可以直接实现对石墨烯表面缺陷分布的判断。

实施例2

除以下方案外，均与实施例1相同：

步骤（3）是机械剥离法制备六方氮化硼：通过机械剥离方法，在碳化硅衬底表面剥离制备的六方氮化硼样品，并通过在1300℃、氩气和氢气流量分别为50 sccm和10 sccm的条件下进行退火30 min，以除去氮化硼表面剥离过程中残留的胶与杂质。所得结果如图3所示，扫描尺寸为3 μm。通过原子力显微镜的摩擦力图像可以直接实现对六方氮化硼表面缺陷分布的判断。

实施例3

除以下方案外，均与实施例2相同：

步骤（5）为二维材料缺陷深度表征：通入高温氧气对引入缺陷后的样品进行刻蚀处理，刻蚀条件为氧气流量50 sccm，压强30 Pa，刻蚀温度1200℃，刻蚀时间30 min；

之后选择原子力显微镜对二维材料缺陷进行深度表征，首先使用的探针型号为SNL-10，实验过程中调节激光在检测四象限位置，使水平偏移量为0V，使竖直偏移量为-2 V（此时探针对样品压力约为10 nN），选择接触模式，扫描角度为90°。

所得结果如图4所示，六方氮化硼表面已经有多层被刻蚀，证明缺陷引入深度较深，结合表面存在部分剩余的无缺陷残留与下层刻蚀，所以刻蚀深度应为三个原子层以上。

实施例4

除以下方案外，均与实施例3相同：

步骤（4）利用低功率等离子体辅助二维材料缺陷引入：向等离子体增强管式炉通入氩气，气体流量为为50 sccm，等离子体功率为20 W，使用真空泵提供低压，腔内压力不超过50 Pa，处理温度为500℃，处理时间为10 min。

所得结果如图5所示，由于刻蚀优先从缺陷处进行，而引入缺陷后的六方氮化硼只存在顶部两层的刻蚀，表明该条件下二维材料的等离子体处理缺陷引入深度为两个原子层。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.制备二维材料：在非导体衬底表面进行二维材料的制备；

S2.二维材料缺陷引入：将制备好的二维材料置于等离子体装置中，通入实验气体后利用等离子体对二维材料表面进行类型、密度与深度可控的缺陷引入；

S3.二维材料缺陷的表征：在对二维材料进行缺陷引入后，使用原子力显微镜对其进行缺陷的快速分布表征与深度表征。

2.根据权利要求1所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于：步骤S1的非导体衬底材料为半导体或者绝缘衬底；二维材料的制备方法为机械剥离、化学气相沉积法或液相剥离法；二维材料为石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼或其它可以在空气中稳定存在的二维材料。

3.根据权利要求1所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于：步骤S2的等离子体装置为等离子体化学气相沉积系统、等离子体增强管式炉系统、低功率等离子体清洗机或其它可以产生等离子体的设备。

4.根据权利要求1所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于：步骤S2的实验气体为氩气、氢气、氧气、氮气中的一种或多种；缺陷引入的调控条件为实验气体种类、气体流量、气氛压强、等离子体功率、处理时间或样品加热温度。

5.根据权利要求4所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于：

当实验气体为氩气时，气体的流量为20~200 sccm，等离子体电离功率为10~50 W，处理的时间为0~60 min，衬底加热温度为30-1000℃；

当实验气体为氧气时，气体的流量为20~100 sccm，等离子体电离功率为10~40 W，处理的时间为0~30 min，衬底加热温度为30-500℃。

6.根据权利要求1所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于：原子力显微镜使用的探针型号为SNL-10，扫描模式为接触模式；且样品扫描过程中探针运动方向与图像扫描方向的角度为90°，扫描过程中探针与样品之间的力为1~20 nN；扫描的尺寸为20μm，10 μm，5 μm，3 μm，1 μm，500 nm，200 nm。

7.根据权利要求1所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于，步骤S3的二维材料缺陷分布表征是在扫描过程中，摩擦力图像中缺陷存在区域会与无缺陷区域存在衬度差，通过摩擦力图像可以实现对缺陷分布信息的直接获取。

8.根据权利要求1所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于，步骤S3的二维材料缺陷深度表征是通过对二维材料缺陷引入后进行表面刻蚀进行缺陷深度判定的：缺陷刻蚀完成后，通过原子力显微镜扫描，分析高度图像，得到刻蚀层数信息，即对应缺陷引入深度信息。

9.根据权利要求8所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于：刻蚀气体为氧气，气体流量为0~50 sccm，刻蚀时间为1~30 min，衬底加热温度为300~1200℃。

10.根据权利要求9所述的二维材料缺陷调控与快速表征的方法，其特征在于：当二维材料为石墨烯时，氧气气体流量为50 sccm，刻蚀时间为10 min，衬底加热温度为300℃；

当二维材料为六方氮化硼时，氧气气体流量为50 sccm，刻蚀时间为30 min，衬底加热温度为1200℃。

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