二次元ナノエレクトロニクスを作製する標準および信頼性の高いメソッド

この方法は、後の製造ステップの準備で2D材料サンプルを正確に特定する技術に関連する、2D材料デバイス製造の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、材料の位置を見つけるのがより困難な小規模なデバイスの開発に合わせて調整されていることです。その手順を実演するのは、私の研究室の研究助手であり大学院生であるPo-Chun ChenとKristanです。

製造プロセスには、2つの準備された基板が必要です。1つ目は、チタンと金の金属パッドアレイを備えたシリコン上の二酸化ケイ素のバックゲートです。第2の基板は、二硫化モリブデンの堆積層を有するサファイアである。

二硫化モリブデンを含むサファイア基板をスピンコーターに持って行きます。スピンコートPMMAは、3、500rpmで30秒間、二硫化モリブデンの上部を覆うために。次に、サンプルをホットプレートに移し、摂氏120度で3分間焼き、PMMAコーティングを強化します。

次に、50ミリリットルのアンモニア溶液を準備します。サンプルを浸漬して、二硫化モリブデンを基質から分離します。フィルムが分離したら、アンモニア溶液からフィルムを取り出します。

二硫化モリブデンフィルムをシリコン基板上の二酸化ケイ素に転写します。接着性を高めるには、サンプルを摂氏120度で少なくとも30分間焼きます。サンプルを回収し、30ミリリットルのアセトンに入れます。

約 30 分後、色の変化で示されるように PMMA が削除されます。先に進む前に、サンプルをイソプロピルアルコールですすぎ、窒素を使用して吹き飛ばして乾かします。では、電子ビームリソグラフィーを行う準備をしましょう。

光学顕微鏡を使用して、ターゲット位置とサンプル上のアライメントマークとの間の変位を測定します。これらの測定値に基づいて、ソフトウェアを使用して金属電極パターンのレイアウトを設計します。サンプルの上にフォトレジストをスピンコートし、サンプル全体を覆うようにします。

次に、サンプルを摂氏100度で90秒間ソフトベークし、接着力を高めます。電子線露光装置でデザインをアップロードし、試料を位置決めします。シリコン-二酸化ケイ素基板のアライメントマークは、デザインの対応するマークと一致する必要があります。

サンプルを電子ビームにさらします。完了したら、サンプルをホットプレートに持っていきます。露光後のベークでサンプルを摂氏120度に90秒間加熱します。

次に、現像液としてTMAHの容器を用意し、サンプルを80秒間浸します。次に、サンプルを200ミリリットルの脱イオン水で10秒間洗浄します。光学顕微鏡でサンプルを検査し、パターンが十分に発達しているかどうかを判断します。

十分に発達している場合は、サンプルを摂氏110度で90秒間ハードベークします。次のステップは、電子銃蒸発器を使用して、サンプルに100ナノメートルの金を堆積させることです。蒸着後、フォトレジストの除去作業を行います。

フォトレジストを溶解するには、100ミリリットルのアセトンを準備します。サンプルをアセトンに浸してリフトオフを行います。光学顕微鏡でプロセスを監視し、金属線とパッドだけが残ったら停止します。

特性評価では、デバイス内の電極からソースとドレイン電極を選択し、解剖学的力顕微鏡を使用してサンプルに負荷をかけます。ここで、Xは荷重が適用された場所を示します。原子間力顕微鏡が負荷をかけると、デバイスに圧縮ひずみが生じます。

これは、圧縮ひずみを生成するさまざまな印加力での二硫化モリブデンデバイスの電流電圧特性です。ある電圧では、加えられた力の増加に伴ってデバイスの電流が減少し、その逆も同様であり、デバイスの抵抗の変化を示します。これは、ピエゾセンサに予想される動作です。これらのデータは、1ボルトの固定バイアス電圧での繰り返し圧縮ひずみに対する二硫化モリブデンデバイスの電流応答に関するものです。

出力電流は、10ナノニュートンの力を繰り返し加えてもほとんど変化せず、センサーが安定していることを示唆しています。この手法を習得して適切に実行すると、すべてのトランジスタの製造を含め、20時間連続で実行できます。この技術は、開発後、将来のナノスケールデバイスの生産への道を開くため、将来のナノデバイス開発のプラットフォームとして機能することができます。

このビデオを見れば、電子ビームリソグラフィーや金属電着などの標準的な製造プロセスを使用して2Dバックゲートトランジスタを高い信頼性で作製する方法を十分に理解できるはずです。この方法は2Dナノ材料デバイスの開発に対応していますが、1D材料にも適用できます。TMAH、アンモニア溶液、PMMA、およびその他のフォトレジスターでの作業は非常に危険である可能性があるため、この手順を実行するときは常に個人用保護具を着用する必要があることを忘れないでください。