CN116081612B - 一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，包括以下步骤：对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，进行多次击穿所述单层石墨烯纳米带的对尖位置，并在对尖位置逐步构建纳米级间隙，每次击穿均包含多次步长升压，根据电压变化和所述单层石墨烯纳米带的电流变化反馈，调节下一次升压的升压步长，以及调节电流源表的检测档位，当所述单层石墨烯纳米带的电阻达到预设电阻时，终止对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，构建得到石墨烯亚纳米级间隙。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯亚纳米级间隙制备领域，具体指有一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法。
背景技术
半导体工业一直遵循“摩尔定律”所设定的发展规律，基于二极管、晶体管等元件构筑集成电路，不断优化微纳加工方法，长期追求集成度高、运行速度快、器件尺寸小的工艺目标。因此，单个分子、单个原子充当功能器件中的有源电子元件，代表了尺寸缩小的最终形式。以单分子器件为例，通常由一对导电纳米电极连接单个分子构筑成结，作为核心单元。单分子器件具有独特优势，如成本低、功耗低，且具备分子自组装和微纳结构灵活设计等潜力，为科研技术革新、设备功能创新提供巨大的可能性。尽管在过去的几十年里，基于单分子尺寸的探究和应用已逐步打破技术壁垒，但单分子电子学领域仍然存在重大挑战。主要挑战在于将纳米大小的分子与宏观电极整合，构筑寿命长、性能稳定的微纳元件。
目前，基于电极组装分子主要有两种方法。第一种是顶接触动态成结过程(Top－contactjunction)，应用扫描探针显微镜(SPM)技术，如扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。此技术已作为单分子基础研究的热门方式之一，但因设备搭建繁琐，量产需求较难满足。第二种是制造具有纳米间隙的稳定电极对，组装单分子构筑静态结。这种纳米间隙通常在组装分子前，采用微纳工艺制备出来，因此提出需要检测单分子是否组装成功，以构筑成单分子结的表征技术需求。此外，纳米间隙可基于平面结构、自下而上方式制造，允许电极衬底材料用作固态静电栅极调控，制备单分子场效应晶体管。
石墨烯材料是近年一种新兴的多功能材料，因其sp2杂化在偏压作用下，迁移率较低，相较于金电极的高迁移率特性而更加稳定，且石墨烯材料较薄的优势，使其减弱对栅极调控的屏蔽作用，可实现高效稳定的静电调节。因此，在单分子电子学领域中，采用石墨烯作为电极，借助共价键、π－π堆积方式构筑稳定的单分子静态结，具有更好的电荷传输特性和接触电导，与传统的金基电极相比可研究的多种耦合程度的单分子体系。结合石墨烯材料优势，几种制备石墨烯纳米间隙的方法逐渐被研发，诸如AFM纳米光刻以及镍纳米颗粒对单层石墨烯进行各向异性刻蚀等。这些方法各有优点，但受限于针尖尺寸以及反应不可控性等缺点，不能形成稳定且对应分子尺寸间隙的纳米电极。
针对上述的现有技术存在的问题设计一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法是本发明研究的目的。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，能够有效解决上述现有技术存在的至少一个问题。
本发明的技术方案是：
一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，包括以下步骤：
在含氧化层的硅片制备栅电极；
通过原子层沉积系统在含氧化层的硅片的上表面制备绝缘材料层，所述绝缘材料层覆盖所述栅电极，再通过晶圆级对准光刻机与电子束蒸发薄膜沉积系统在所述绝缘材料层上表面制备导电引线，所述导电引线位于所述栅电极的两侧，得到目标衬底；
通过湿法工艺将单层石墨烯转移并覆盖到所述目标衬底的上表面，在单层石墨烯的上表面旋涂负性电子胶，基于电子束曝光系统制备软掩膜图案，所述软掩膜图案从两侧的所述导电引线延伸至所述栅电极，且所述软掩膜图案的中间为对尖形状；
刻蚀未被软掩膜图案覆盖的单层石墨烯，去除残胶，得到单层石墨烯纳米带；
对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，进行多次击穿所述单层石墨烯纳米带的对尖位置，并在对尖位置逐步构建纳米级间隙，每次击穿均包含多次步长升压，根据电压变化和所述单层石墨烯纳米带的电流变化反馈，调节下一次升压的升压步长，以及调节电流源表的检测档位，当所述单层石墨烯纳米带的电阻达到预设电阻时，终止对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，构建得到石墨烯亚纳米级间隙。
进一步地，所述在含氧化层的硅片制备栅电极包括：
采用含氧化层的四寸硅片，基于晶圆级对准光刻机加工光刻胶制备电极预图案，随后借助电子束蒸发薄膜沉积系统蒸镀金属材料并用丙酮浸泡剥离，完成制备栅电极。
进一步地，所述调节电流源表的检测档位包括：
通过Keithley探针台的Limited Auto模式采集所述单层石墨烯纳米带的电流，根据所述单层石墨烯纳米带的电流变化不断缩小量程上限，同时固定量程下限。
进一步地，根据所述单层石墨烯纳米带的电流变化不断缩小量程上限包括：
在每次击穿的过程中，以前若干次升压采集得到的所述单层石墨烯纳米带的电流的平均值＊5作为下一次步长升压的量程上限。
进一步地，每次击穿的起点电压为0V，定义当前升压为第n次升压，下一次升压为第n+1次升压；
所述调节下一次升压的升压步长包括：
获取第1次到第n次升压的电压和对应的所述单层石墨烯纳米带的电流，根据电压和电流构建I－V曲线，计算I－V曲线中每一次电压和电流对应的斜率，计算所有斜率的平均斜率kaverage；
获取I－V曲线的零点到第1次升压的零点斜率k0；
计算无量纲斜率
若第n次升压的SLOPE≥1且第n次升压的斜率＞1，则第n+1次升压的升压步长采用大步长，
若－1＜第n次升压的SLOPE＜1且1＞第n次升压的斜率＞0，则第n+1升压的升压步长采用小步长。
进一步地，所述调节下一次升压的升压步长包括：
若第n次升压的SLOPE＝－1，则第n+1升压的升压步长采用小步长，并监测第n次之后升压的斜率，当0＞第n次之后的升压的斜率＞－1时，执行：
采集之后的升压的平均斜率，若之后的升压的平均斜率≤－1，则结束该次击穿。
进一步地，所述大步长为0.75V/s，所述小步长为0.005V/s。
进一步地，预设电阻为400兆欧姆到600兆欧姆。
进一步地，所述构建得到石墨烯亚纳米级间隙之后，执行：
在所述石墨烯亚纳米级间隙的两端施加测试电压并采集对应得到的测试电流，构建所述石墨烯亚纳米级间隙的I－V曲线；
将所述石墨烯亚纳米级间隙的I－V曲线的各个点的数值代入Simmons模型中反推出所述间隙尺寸。
进一步地，根据公式1和公式2在Simmons模型中反推出所述间隙尺寸：
φ(V)＝-γ|eV|+φo (公式1)，
其中，γ是势垒高度与偏压的依赖关系，e是单位电子电荷量，V为偏压数值，φo为零偏压的势垒高度；
其中，I为电流强度，S为势垒面积，d为间隙宽度，m为自由电子质量，h为普朗克常量。
因此，本发明提供以下的效果和/或优点：
本申请基于电子束曝光系统制备“领结型”图案作为石墨烯纳米带的软掩膜；得到的单层石墨烯纳米带的形状，然后对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，进行多次击穿所述单层石墨烯纳米带的对尖位置，并在对尖位置逐步构建纳米级间隙，每次击穿均包含多次步长升压，根据电压变化和所述单层石墨烯纳米带的电流变化反馈，调节下一次升压的升压步长，以及调节电流源表的检测档位，当所述单层石墨烯纳米带的电阻达到预设电阻时，终止对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，构建得到石墨烯亚纳米级间隙。
本发明基于电流－电压源表和配套的探针系统，通过反馈控制电击穿(FeedbackControlled Electrobreakdown)的偏压调控程序，对“领结型”石墨烯图案加电压且控制焦耳热促进局部升温，进而击穿石墨烯纳米带，制备出亚纳米间隙。其机制为在高电流密度下焦耳热引起局部升温，促进石墨烯以升华形式被破坏，因此引入了击穿概念。当石墨烯纳米带边缘被击穿后，电导发生明显变化，源表获得电导变化的反馈信息的同时，将电压降为0V，并重新开始扫描电导变化。
本申请基于多个升压条件的判断和截止当前击穿的判断条件，探针系统的非连续升压模式实现高效率I－V反馈控制，并稳定制备石墨烯约1nm间隙且成功率高。
应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。
附图说明
图1为本发明的其中一个实施例的流程示意图。
图2为本发明的其中一个实施例的步骤S1得到的结果示意图。
图3－4为本发明的其中一个实施例的步骤S2得到的结果示意图。
图5－6为本发明的其中一个实施例的步骤S3得到的结果示意图。
图7为本发明的其中一个实施例的步骤S4得到的结果示意图。
图8为本发明的其中一个实施例的步骤S5中，Limited Auto模式设置截图。
图9为本发明的其中一个实施例的其中一次击穿的电压和电流所建立的I－V曲线示意图。
图10为本发明的其中一个实施例的Simmons模型拟合反馈控制程序加工的间隙曲线。
图11为本发明的其中一个实施例的原子力显微镜图像。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：
参考图1，一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，包括以下步骤：
S1，在含氧化层的硅片制备栅电极；进一步地，所述在含氧化层的硅片制备栅电极包括：
采用含氧化层的四寸硅片，基于晶圆级对准光刻机加工光刻胶制备电极预图案，随后借助电子束蒸发薄膜沉积系统蒸镀金属材料并用丙酮浸泡剥离，完成制备栅电极。
本步骤中，采用含氧化层的四寸硅片，基于晶圆级对准光刻机加工光刻胶制备电极预图案，随后借助电子束蒸发薄膜沉积系统蒸镀金属材料并用丙酮浸泡剥离(Lift－off)完成栅电极图案。同时，含氧化层的四寸硅片、制备电极预图案、电子束蒸发薄膜沉积系统、丙酮浸泡剥离等均为现有技术的直接采用，得到如图2所示的结构。
S2，通过原子层沉积系统在含氧化层的硅片的上表面制备绝缘材料层，所述绝缘材料层覆盖所述栅电极，再通过晶圆级对准光刻机与电子束蒸发薄膜沉积系统在所述绝缘材料层上表面制备导电引线，所述导电引线位于所述栅电极的两侧，得到目标衬底；
具体地，本步骤通过硅片的上表面制备绝缘材料层制备得到介电层，并且介电层覆盖在图2所示的结构的上表面，得到如图3所示的介电层结构。接着，在所述绝缘材料层上表面制备导电引线，导电引线在栅极的两侧，如图4所示。本步骤为现有技术的直接采用，不涉及本申请的核心改进点。本步骤的绝缘材料层为HfO2。
S3，通过湿法工艺将单层石墨烯转移并覆盖到所述目标衬底的上表面，在单层石墨烯的上表面旋涂负性电子胶，基于电子束曝光系统制备软掩膜图案，所述软掩膜图案从两侧的所述导电引线延伸至所述栅电极，且所述软掩膜图案的中间为对尖形状；
本步骤使用湿法工艺，将单层石墨烯转移到目标衬底，如图5所示。并旋涂负性电子胶，基于电子束曝光系统制备“领结型”图案作为石墨烯纳米带的软掩膜；领结型图案如图6所示，是在栅极以外的部分为等宽的方形图案，在栅极的部分为以栅极中心线对称，并且图案的宽度从栅极的左右两端朝着栅极中心线逐渐变窄形成尖端的图案。
本步骤的旋涂负性电子胶、制备软掩膜图案、导电引线等也均为现有技术。核心改进点在于软掩膜的图案形状，以及软掩膜形成的图案形状的位置关系。
S4，刻蚀未被软掩膜图案覆盖的单层石墨烯，去除残胶，得到单层石墨烯纳米带；
该步骤中，得到如图7所示的结构。单层石墨烯和步骤S3的对尖形状相同，单层石墨烯电极优势在于：石墨烯为sp2杂化结构，外界加电压不易发生迁移，相比Au材料更稳定；单层石墨烯电极，厚度约0.34nm，减低对栅极静电场的屏蔽作用，实现栅压高效调控。采用HfO2介电层的优势在于：传统Si栅极/SiO2介电层尺寸较大，材料层易受杂质干扰，影响栅极电场均衡排布，降低栅极调控效率；HfO2作为High－K材料之一，目前替代氧化硅的主流介电层材料，原子层沉积法(ALD)制备10nm超薄HfO2层，具备良好的绝缘效果且降低器件尺寸。
本实施例的下述方法中，均基于步骤S4得到的结构以及得到的单层石墨烯纳米带的形状，这是因为：基于硅晶体，做微型化集成；用金材料作石墨烯导电引线，保证芯片寿命和稳定性；栅极属于三电极静电调控体系，芯片应用于构筑石墨烯单分子结并检测其静电调控响应，因传统的源漏两电极体系调控效率低，且对分子结调控原理解释不清楚，所以引入栅极三电极，可以更清楚的解释单分子结受静电调控的轨道变化等电学特征。
S5，对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，进行多次击穿所述单层石墨烯纳米带的对尖位置，并在对尖位置逐步构建纳米级间隙，每次击穿均包含多次步长升压，根据电压变化和所述单层石墨烯纳米带的电流变化反馈，调节下一次升压的升压步长，以及调节电流源表的检测档位，当所述单层石墨烯纳米带的电阻达到预设电阻时，终止对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，构建得到石墨烯亚纳米级间隙。
本步骤为本申请的核心改进步骤。
本步骤中，对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，从而使所述单层石墨烯纳米带产热升温，并击穿所述单层石墨烯纳米带，产生一定的间隙。所述单层石墨烯纳米带的间隙变化后，所述单层石墨烯纳米带的电阻等电学特性也会相应产生变化。通过控制施加电压的变化，多次循环击穿所述单层石墨烯纳米带的对尖位置，从而不断击穿，构建对应间隙的所述单层石墨烯纳米带。
石墨烯材料是近年一种新兴的多功能材料，因其sp2杂化在偏压作用下，迁移率较低，相较于金电极的高迁移率特性而更加稳定，且石墨烯材料较薄的优势，使其减弱对栅极调控的屏蔽作用，可实现高效稳定的静电调节。因此，在单分子电子学领域中，采用石墨烯作为电极，借助共价键、π－π堆积方式构筑稳定的单分子静态结，具有更好的电荷传输特性和接触电导，与传统的金基电极相比可研究的多种耦合程度的单分子体系。现有技术中，如何由于纳米级间隙的单层石墨烯纳米带的电阻较大，加压后能够检测到的电流也极小，Keithley系统检测电流的运行原理是：由大电流档切换到小电流档来多次测电流，并观察电流数值稳定，如果数值稳定就输出电流值，如果电流档位太大，多次测到的电流数值会变化，电流档先从某个量程上限以内开始检测，直到某个档位下多次测得电流值稳定，才输出电流值，因此如何测量其产生的电流是难点，以及如何减小构建纳米间隙所需的时间也是难点。
本步骤通过根据电压变化和所述单层石墨烯纳米带的电流变化反馈，控制击穿过程中的每一次加压的步长，以及选择相应的电流表的量程。
选择电流表量程的具体步骤如下。
进一步地，所述调节电流源表的检测档位包括：
通过Keithley探针台的Limited Auto模式采集所述单层石墨烯纳米带的电流，根据所述单层石墨烯纳米带的电流变化不断缩小量程上限，同时固定量程下限。
通过本步骤动态调节Keithley探针台的Limited Auto模式的量程上限，从而能够使Keithley探针台在Limited Auto模式下快速尝试测量电流，并减少Limited Auto模式不断减小量程的尝试次数。本实施例中，量程下限固定设置为1pA，因为Keithley探针台的测量精度为pA级。在其他实施例中也可以根据对应的电流检测设备的精度进行设置量程下线，量程下线可以是测量设备的最低精度。
进一步地，根据所述单层石墨烯纳米带的电流变化不断缩小量程上限包括：
在每次击穿的过程中，以前若干次升压采集得到的所述单层石墨烯纳米带的电流的平均值＊5作为下一次步长升压的量程上限。
本步骤具体为：
通过Limited Auto模式固定电流量程，实现快速和准确电流值反馈，以前位电流(Compliance)作为电流的最大量程，并将其设定为测量电流的上限量程，不断切换到小量程，同时以CurrentRange作为最小量程，视为量程下限，可以以单条I－V曲线前3个电流数据为一组求平均值，将平均电流值＊5，作为测下一个电流数据的前位电流，量程从上限向下限切换，且每测一个点限制下次测量的前位电流。
进一步地，每次击穿的起点电压为0V，定义当前升压为第n次升压，下一次升压为第n+1次升压；
所述调节下一次升压的升压步长包括：
获取第1次到第n次升压的电压和对应的所述单层石墨烯纳米带的电流，根据电压和电流构建I－V曲线，计算I－V曲线中每一次电压和电流对应的斜率，计算所有斜率的平均斜率kaverage；
获取I－V曲线的零点到第1次升压的零点斜率k0；
计算无量纲斜率
若第n次升压的SLOPE≥1且第n次升压的斜率＞1，则第n+1次升压的升压步长采用大步长，
若－1＜第n次升压的SLOPE＜1且1＞第n次升压的斜率＞0，则第n+1升压的升压步长采用小步长。
参考图9，图9是其中一次击穿的电压和电流所建立的I－V曲线。每次击穿的起点电压为0V，也就是每次击穿的起点为I－V曲线的坐标原点。
本步骤中，相邻电流数据点间作差与电压步长作比值，取某点n并累加先前斜率值作平均得kaverage，将kaverage与零点斜率k0作比值，得实时无量纲斜率SLOPE；
斜率判据：
斜率总和：
无量纲斜率：
其中，In表示第n次加压的电流，Vn表示第n次加压的电压，Vstep表示第n次加压的步长，kn表示第n次加压I－V曲线中对应点的斜率。SLOPE无量纲斜率，是整个IV曲线的当前所有数据点斜率的平均值与这条曲线的第一个数据点斜率的比较，用来判断I－V曲线的走势，斜率是每个数据点与前一个点的电流差/电压差得到的比值，用来判断I－V曲线的变化速度。
设定大小步长切换判据，若第n次升压SLOPE≥1，且第n次升压斜率＞1，电压均用大步长，若第n次升压SLOPE＜1，则1＞第n次升压斜率＞0，电压切到小步长，缩短单条I－V曲线测量耗时，提高制备效率。
进一步地，所述调节下一次升压的升压步长包括：
若第n次升压的SLOPE＝－1，则第n+1升压的升压步长采用小步长，并监测第n次之后升压的斜率，当0＞第n次之后的升压的斜率＞－1时，执行：
采集之后的升压的平均斜率，若之后的升压的平均斜率≤－1，则结束该次击穿。
本步骤是停止当次击穿的判断条件，例如第25次加压时，该位置的电压升降的单条I－V曲线判据SLOPE＝－1，继续执行加压并开始监测SLOPE的变化情况。在第30次加压时监测到实时无量纲斜率减小且斜率＝0，开始对第30次之后的采点并与判据比较，当第30次之后的采点0＞斜率＞－1设置5个数据点作为一组数据采集点数，平均无量纲斜率≤－1，此时结束该次击穿，并降压到0V，开始下一次升压。
本实施例基于Labview编写的反馈程序通过NI MAX接口与探针系统匹配，首次通过探针系统的非连续升压模式实现高效率I－V反馈控制，并稳定制备石墨烯约1nm间隙且成功率高，摆脱主流技术仅基于连续升压模式才可运行的限制，本发明研发的程序借助连续和非连续输出模式的探针系统均可实现反馈控制调控，降低实验成本。
进一步地，所述大步长为0.75V/s，所述小步长为0.005V/s。
进一步地，预设电阻为400兆欧姆到600兆欧姆。
该预设电阻选择400兆欧姆到600兆欧姆是通过发明人选择合格的石墨烯亚纳米级间隙进行测量得到的石墨烯亚纳米级间隙的电阻范围，或者通过模拟石墨烯亚纳米级间隙的IV特性得到的电阻范围，反推得到预设电阻的阻值，当石墨烯亚纳米级间隙的电阻落于该数值范围时，石墨烯亚纳米级间隙达到纳米级。具体地，本实施例可以采用500兆欧姆，在其他实施例也可以采用480兆欧姆、520兆欧姆，或者400兆欧姆到600兆欧姆其中的任意一个数值。
进一步地，所述构建得到石墨烯亚纳米级间隙之后，执行：
S6，在所述石墨烯亚纳米级间隙的两端施加测试电压并采集对应得到的测试电流，构建所述石墨烯亚纳米级间隙的I－V曲线；
S7，将所述石墨烯亚纳米级间隙的I－V曲线的各个点的数值代入Simmons模型中反推出所述间隙尺寸。
本步骤用于在构建得到所述石墨烯亚纳米级间隙后，计算并输出所述石墨烯亚纳米级间隙的间隙尺寸。在S5的反馈程序终止后，加工出纳米级间隙，需要用Simmons模型计算间隙的具体尺寸，如1nm，步骤为：
1.在加工完成石墨烯间隙两端，连续升压，例如从－3V升到+3V，并实时监测电流数值，得到一条IV曲线，如图10所示，这条IV曲线呈现隧穿趋势，也就是S型且中心轴对称的形状。
2.在将IV曲线(电流/电压数值已知)，代入Simmons模型中(配合模型中固定参数)，反推出隧穿距离，也就是石墨烯间隙。
进一步地，根据公式1和公式2在Simmons模型中反推出所述间隙尺寸：
φ(V)＝-γ|eV|+φo (公式1)，
其中，γ是势垒高度与偏压的依赖关系，e是单位电子电荷量，V为偏压数值，φo为零偏压的势垒高度；
其中，I为电流强度，S为势垒面积，d为间隙宽度，m为自由电子质量，h为普朗克常量。
现有技术中，采用的是单一变量反推出隧穿距离，若将Simmons模型中势垒高度φ视为固定值，则拟合IV曲线的准确率较差，研究人员经实验理论验证势垒高度与电压存在反相关关系，且得出二者计算公式，则将随电压变化的势垒高度φ(V)代入Simmons模型中，拟合IV曲线的准确率显著提升，准确拟合出隧穿间隙d。
参考图10，本实施例得到的曲线与现有资料表明的曲线高度拟合。证明本方法得到了亚纳米级间隙。根据图10的曲线以及上述计算隧穿距离的方法，计算得到本方法在反馈控制程序的配合下加工得到了0.998nm间隙。通过图11所示的原子力显微镜表征在反馈控制程序的配合下加工得到的石墨烯亚纳米级间隙与上述隧穿距离的计算方法得到的结果基本相同，表明本申请可以构建石墨烯亚纳米级间隙。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
Claims (7)
1.一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，其特征在于：包括以下步骤：
在含氧化层的硅片制备栅电极；
通过原子层沉积系统在含氧化层的硅片的上表面制备绝缘材料层，所述绝缘材料层覆盖所述栅电极，再通过晶圆级对准光刻机与电子束蒸发薄膜沉积系统在所述绝缘材料层上表面制备导电引线，所述导电引线位于所述栅电极的两侧，得到目标衬底；
通过湿法工艺将单层石墨烯转移并覆盖到所述目标衬底的上表面，在单层石墨烯的上表面旋涂负性电子胶，基于电子束曝光系统制备软掩膜图案，所述软掩膜图案从两侧的所述导电引线延伸至所述栅电极，且所述软掩膜图案的中间为对尖形状；
刻蚀未被软掩膜图案覆盖的单层石墨烯，去除残胶，得到单层石墨烯纳米带；
对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，进行多次击穿所述单层石墨烯纳米带的对尖位置，并在对尖位置逐步构建纳米级间隙，每次击穿均包含多次步长升压，根据电压变化和所述单层石墨烯纳米带的电流变化反馈，调节下一次升压的升压步长，以及调节电流源表的检测档位，当所述单层石墨烯纳米带的电阻达到预设电阻时，终止对所述单层石墨烯纳米带的两端施加电压，构建得到石墨烯亚纳米级间隙；
每次击穿的起点电压为0V，定义当前升压为第n次升压，下一次升压为第n+1次升压；
所述调节下一次升压的升压步长包括：
获取第1次到第n次升压的电压和对应的所述单层石墨烯纳米带的电流，根据电压和电流构建I－V曲线，计算I－V曲线中每一次电压和电流对应的斜率，计算所有斜率的平均斜率kaverage；
获取I－V曲线的零点到第1次升压的零点斜率k0；
计算无量纲斜率
若第n次升压的SLOPE≥1且第n次升压的斜率＞1，则第n+1次升压的升压步长采用大步长，
若－1＜第n次升压的SLOPE＜1且1＞第n次升压的斜率＞0，则第n+1升压的升压步长采用小步长；
其中，所述大步长为0.75V/s，所述小步长为0.005V/s；
所述调节电流源表的检测档位包括：
通过Keithley探针台的Limited Auto模式采集所述单层石墨烯纳米带的电流，根据所述单层石墨烯纳米带的电流变化不断缩小量程上限，同时固定量程下限。
2.根据权利要求1所述的一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，其特征在于：所述在含氧化层的硅片制备栅电极包括：
采用含氧化层的四寸硅片，基于晶圆级对准光刻机加工光刻胶制备电极预图案，随后借助电子束蒸发薄膜沉积系统蒸镀金属材料并用丙酮浸泡剥离，完成制备栅电极。
3.根据权利要求1所述的一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，其特征在于：根据所述单层石墨烯纳米带的电流变化不断缩小量程上限包括：
在每次击穿的过程中，以前若干次升压采集得到的所述单层石墨烯纳米带的电流的平均值＊5作为下一次步长升压的量程上限。
4.根据权利要求1所述的一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，其特征在于：所述调节下一次升压的升压步长包括：
若第n次升压的SLOPE＝－1，则第n+1升压的升压步长采用小步长，并监测第n次之后升压的斜率，当0＞第n次之后的升压的斜率＞－1时，执行：
采集之后的升压的平均斜率，若之后的升压的平均斜率≤－1，则结束该次击穿。
5.根据权利要求1所述的一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，其特征在于：预设电阻为400兆欧姆到600兆欧姆。
6.根据权利要求1所述的一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，其特征在于：所述构建得到石墨烯亚纳米级间隙之后，执行：
在所述石墨烯亚纳米级间隙的两端施加测试电压并采集对应得到的测试电流，构建所述石墨烯亚纳米级间隙的I－V曲线；
将所述石墨烯亚纳米级间隙的I－V曲线的各个点的数值代入Simmons模型中反推出所述间隙尺寸。
7.根据权利要求6所述的一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法，其特征在于：根据公式1和公式2在Simmons模型中反推出所述间隙尺寸：
φ(V)＝-γ|eV|+φo (公式1)，
其中，γ是势垒高度与偏压的依赖关系，e是单位电子电荷量，V为偏压数值，φo为零偏压的势垒高度；
其中，I为电流强度，S为势垒面积，d为间隙宽度，m为自由电子质量，h为普朗克常量。
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