Eine Standard und zuverlässige Methode, zweidimensionale Nanoelektronik zu fabrizieren

Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Herstellung von 2D-Materialgeräten zu beantworten, die sich auf Techniken zur präzisen Lokalisierung von 2D-Materialproben in der Vorbereitung für spätere Fertigungsschritte beziehen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie auf die Entwicklung kleiner Geräte zugeschnitten ist, bei denen es schwieriger ist, den Standort von Materialien zu finden. Das Verfahren wird von Po-Chun Chen und Kristan, Forschungsassistenten und Doktoranden aus meinem Labor, vorgeführt.

Für den Herstellungsprozess werden zwei vorbereitete Substrate benötigt. Die erste besteht aus siliziumdioxid auf silizium mit titan- und goldmetallischen Pad-Arrays. Das zweite Substrat ist Saphir mit einer abgeschiedenen Schicht aus Molybdändisulfid.

Bringen Sie das Saphirsubstrat mit dem Molybdändisulfid in einen Schleuderbeschichter. Schleudern Sie PMMA, um die Oberseite des Molybdändisulfids bei 3.500 U/min für 30 Sekunden zu bedecken. Schieben Sie die Probe dann auf eine heiße Platte und backen Sie sie drei Minuten lang bei 120 Grad Celsius, um die PMMA-Beschichtung zu verstärken.

Bereiten Sie anschließend 50 Milliliter Ammoniaklösung vor. Tauchen Sie die Probe ein, um das Molybdändisulfid vom Substrat zu trennen. Sobald sich der Film gelöst hat, entfernen Sie ihn aus der Ammoniaklösung.

Übertragen Sie den Molybdändisulfidfilm auf das Siliziumdioxid auf dem Siliziumsubstrat. Um die Haftung zu verbessern, backen Sie die Probe mindestens 30 Minuten lang bei 120 Grad Celsius. Nehmen Sie die Probe und legen Sie sie in 30 Milliliter Aceton.

Nach ca. 30 Minuten wird das PMMA entfernt, was durch eine Farbänderung angezeigt wird. Bevor Sie fortfahren, spülen Sie die Probe in Isopropylalkohol ab und föhnen Sie sie mit Stickstoff trocken. Bereiten Sie sich nun auf die Elektronenstrahllithographie vor.

Verwenden Sie ein optisches Mikroskop, um die Verschiebung zwischen den Zielpositionen und den Ausrichtungsmarkierungen auf der Probe zu messen. Entwerfen Sie auf der Grundlage dieser Messungen das Layout des Metallelektrodenmusters mithilfe von Software. Schleudern Sie Photo Resist auf die Probe und stellen Sie sicher, dass es die gesamte Probe bedeckt.

Fahren Sie fort, die Probe 90 Sekunden lang bei 100 Grad Celsius weich zu backen, um die Haftung zu verbessern. Laden Sie an der Elektronenstrahl-Lithographie-Maschine das Design hoch und positionieren Sie die Probe. Die Ausrichtungsmarkierungen im Silizium-Siliziumdioxid-Substrat sollten mit den entsprechenden Markierungen im Design übereinstimmen.

Setzen Sie die Probe dem Elektronenstrahl aus. Wenn Sie fertig sind, geben Sie die Probe auf eine Heizplatte. Erhitzen Sie die Probe nach der Belichtung 90 Sekunden lang auf 120 Grad Celsius.

Halten Sie als Nächstes einen Behälter mit TMAH als Entwickler bereit und tauchen Sie die Probe 80 Sekunden lang ein. Waschen Sie die Probe dann 10 Sekunden lang in 200 Millilitern entionisiertem Wasser. Untersuchen Sie die Probe mit einem optischen Mikroskop, um festzustellen, ob das Muster gut entwickelt ist.

Wenn es gut entwickelt ist, die Probe bei 110 Grad Celsius 90 Sekunden lang hart backen. Der nächste Schritt besteht darin, mit einem Elektronenkanonenverdampfer 100 Nanometer Gold auf der Probe abzuscheiden. Entfernen Sie nach der Ablagerung den Fotolack.

Um den Photo Resist aufzulösen, bereiten Sie 100 Milliliter Aceton vor. Tauchen Sie die Probe in das Aceton, um das Abheben durchzuführen. Überwachen Sie den Prozess mit einem optischen Mikroskop und stoppen Sie, wenn nur noch Metalllinien und Pads übrig sind.

Wählen Sie während der Charakterisierung eine Quelle und eine Drainelektrode aus den im Gerät befindlichen Elektroden aus und verwenden Sie dann ein anatomisches Kraftmikroskop, um eine Last auf die Probe aufzubringen. Hier zeigt Xs an, wo Lasten aufgebracht wurden. Durch die Belastung des Rasterkraftmikroskops kommt es zu einer Druckdehnung des Geräts.

Hier sind die Stromspannungseigenschaften der Molybdändisulfid-Baurichtung bei verschiedenen aufgebrachten Kräften, die eine Druckdehnung erzeugen. Bei einer gegebenen Spannung nimmt der Strom des Geräts mit zunehmender Kraft ab und umgekehrt, was auf eine Änderung des Widerstands des Geräts hinweist, ein Verhalten, das für einen Piezosensor erwartet wird. Diese Daten beziehen sich auf das aktuelle Verhalten des Molybdändisulfid-Bauelements bei wiederholten Druckdehnungen bei einer festen Vorspannung von einem Volt.

Der Ausgangsstrom ändert sich bei wiederholter Anwendung von 10 Nanonewton aufgewendeter Kraft kaum, was darauf hindeutet, dass der Sensor stabil ist. Einmal gemeistert und richtig ausgeführt, kann diese Technik in 20 Stunden am Stück durchgeführt werden, einschließlich der Herstellung aller Transistoren. Nach ihrer Entwicklung kann diese Technik als Plattform für zukünftige Entwicklungen von Nanogeräten dienen, da sie den Weg für die Herstellung zukünftiger fortschrittlicher nanoskaliger Bauelemente ebnet.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie 2D-Backgated-Transistoren mit Standardfertigungsverfahren, einschließlich Elektronenstrahllithografie und Metallgalvanisierung, zuverlässig herstellen können. Obwohl diese Methode auf die Entwicklung von 2D-Nanomaterialien zugeschnitten ist, kann sie auch auf 1D-Materialien angewendet werden. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit TMAH, Ammoniaklösung, PMMA und anderen Fotowiderständen äußerst gefährlich sein kann und dass bei diesem Verfahren immer persönliche Schutzausrüstung getragen werden sollte.