复旦大学新型晶体管材料与器件实验室
暨 高分子科学系魏大程课题组
New Transistor Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University

《Acc Chem Res》PECVD法制备二维材料及其应用

随着二维材料的兴起,机械剥离、溶液合成和化学气相沉积(CVD)等合成方法得到了极大发展。其中,机械剥离法只能得到小尺寸且形状随机的薄层材料,溶液法容易引入各种杂质,CVD法是最有望用于低成本批量制备二维材料的方法。然而,在实际应用中,CVD法面临操作温度高(1000℃左右),使用金属催化剂可能引入杂质污染,所得材料缺陷较多,转移过程容易引入污染物和缺陷等缺点。


等离子体增强CVDPECVD)技术近来受到了研究者的青睐,反应过程中,借助微波或射频等手段,使Ar等气体分子发生电离,产生大量阳离子和自由电子,其中的电子受到电场加速,达到极高的速率,撞击到中性反应气体分子,使之变成自由基及各种带电荷的离子,也就是等离子体,这些等离子体化学活性很强,极易发生反应,因此可以在低温下实现无催化原位制备二维材料。


此前,魏大程课题组已经利用PECVD法制备得到了不同形态和性能的二维材料,包括本征或氮掺杂石墨烯晶体、石墨烯量子点、石墨烯纳米壁、六方氮化硼(h- BN)、硼碳氮三元材料(BCxN)等,并且提出了刻蚀、成核与沉积之间的竞争关系。此外,还使用温和的等离子体对2D材料进行修饰(例如WSe2),以可控获得所需性能。本文前半部分对PECVD法制备二维材料的研究进展进行了综述,详细叙述了其优点:低温、无转移、与现有工艺兼容性好,可直接在非催化基底上制备具有原子级表面清洁度的二维材料。


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在之前大量工作的基础上,本文后半部分对PECVD法所得二维材料在不同领域的应用进行了综述。比如,直接在石墨烯和氮掺杂石墨烯上制备高迁移率场效应晶体管;采用h-BN作为介电层,由于界面干净、接触紧密、界面散热强等特点,器件的迁移率和饱和功率密度均得到了改善。高质量的材料和界面也使这些材料在光电探测器、压力传感器、生化传感器、电子皮肤、拉曼增强等方面有良好的应用前景。



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最后,作者还讨论了PECVD作为一种全面的二维材料制备方法在未来应用过程中所面临的机遇和挑战:

一、生长机制需要深入研究。虽然刻蚀、成核和沉积之间的竞争已被证明是PECVD的主要机制,但更多的参数,诸如等离子体频率、压力、衬底等因素还需要进一步研究。此外,生长过程中的热力学和动力学参数都需要量化讨论,因此需要更多的理论计算和模拟;

二、由于非催化性质,晶体生长速率相对较慢,虽然延长时间可以制备大面积薄膜,但晶畴尺寸通常只有微米或亚微米,有待开发新的技术来加速晶体生长;

三、PECVD制作的2D材料数量有限,需要进一步拓展材料种类,并在此基础上开发新的应用;

四、进一步发展工业化规模的PECVD加工,以可靠、可扩展、低成本、节能的方式实现高质量2D材料的标准化生产。

最后,需要更多的努力来克服在电子、热管理、传感器和其他应用领域所面临的挑战。


相关研究成果于2021216日发表于《Accounts of Chemical Research》,课题组硕士研究生易孔阳为论文第一作者,通讯作者为复旦大学高分子系魏大程研究员,详见

KongyangYi, Donghua Liu, Xiaosong Chen, Jun Yang, Dapeng Wei,* Yunqi Liu,* and DachengWei*, Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition of Two-Dimensional Materialsfor Applications, Accounts of Chemical Research 2021 54 (4), 1011-1022

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.0c00757


魏大程课题组多年来从事二维材料的制备及其在场效应晶体管领域的应用研究(更多信息详见魏大程课题组网站:http://weigroupfudan.com/


文章分类: 科研论文组内新闻
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