北京工业大学《Small》:相变材料在400 °C催化石墨烯原位生长,用于晶圆级光电器件应用

在这项工作中,首次发现相变材料对石墨烯生长有催化作用。DFT被用来定量分析V2O5的催化作用。这种催化能力可能来自于温度高于相变温度时V2O5的金属特性。在等离子体的帮助下,整个生长时间非常短(<20分钟)。V2O5在室温下表现出很高的电阻,使其能够直接制造石墨烯器件而无需转移。一个具有高性能的晶圆级GVS肖特基光电探测器阵列被成功制造出来。无转移的器件制造工艺使其在工业化中具有很高的可行性。

成果简介

在石墨烯薄膜的化学气相沉积中使用金属箔催化剂,使得石墨烯转移成为石墨烯器件制造中不可避免的部分,这极大地限制了工业化。本文,北京工业大学解意洋副教授、Jun Deng、徐晨教授等研究人员在《Small》期刊发表名为“In Situ Growth of Graphene Catalyzed by a Phase-Change Material at 400 °C for Wafer-Scale Optoelectronic Device Application”的论文,研究发现一种氧化物相变材料(V2O5)对石墨烯生长具有与传统金属相同的催化作用。

在10nm的V2O5膜上可以获得均匀的大面积石墨烯膜。利用密度泛函理论定量分析了五氧化二钒的催化作用。由于V2O5在室温下的高电阻特性,所获得的石墨烯可以直接用于具有V2O5作为插层的器件中。成功地制备了晶圆级石墨烯-V2O5-Si(GVS)肖特基光电探测器阵列。当792 nm激光照射时,光电探测器的响应度在0 V偏压下可达到266 mA W−1,在2 V偏压下可达420 mA W−2。无转移器件制备工艺实现了工业化的高度可行性。

图文导读

北京工业大学《Small》:相变材料在400 °C催化石墨烯原位生长,用于晶圆级光电器件应用

图1、a) 石墨烯的PECVD生长示意图。b) 石墨烯生长机制图。

北京工业大学《Small》:相变材料在400 °C催化石墨烯原位生长,用于晶圆级光电器件应用

图2、a) 不同材料催化的石墨烯的拉曼光谱。b) 在Cu和V2O5上生长的石墨烯的拉曼光谱。c) 石墨烯C1s峰的XPS光谱。d) 不同等离子体功率生长的石墨烯的拉曼光谱。e) 不同生长温度下生长的石墨烯的拉曼光谱。f) 石墨烯在800nm至1800nm范围内的吸收。g) 20µm×20µm面积上石墨烯ID/IG比率的拉曼映射。h) 石墨烯的AFM图像。沿(h)中的白线测量高度轮廓。两个红点之间的高度差为5nm。i) 转移到SiO2表面上的石墨烯的SEM图像。

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图3、a) 400°C时V2O5的XRD光谱。可以观察到具有不同晶体取向(110、102和121)的V2O5。b) 石墨烯生长后V2O5的XPS光谱。c) 在CH4与V2O5(110)反应期间,初始、最终和过渡态的能量分布和相应结构。

北京工业大学《Small》:相变材料在400 °C催化石墨烯原位生长,用于晶圆级光电器件应用

图4、a) GVS光电探测器示意图。b) 器件轮廓结构和结的带状结构图。c) 2英寸晶圆级光电探测器阵列。d) 用不同入射功率的光照射设备的I–V曲线。e) 光源开/关切换为0.1Hz时光电探测器的时间响应。f) 具有(GVS结构)和不具有(VS结构)石墨烯的器件的I-V曲线。

小结

在这项工作中,首次发现相变材料对石墨烯生长有催化作用。DFT被用来定量分析V2O5的催化作用。这种催化能力可能来自于温度高于相变温度时V2O5的金属特性。在等离子体的帮助下,整个生长时间非常短(<20分钟)。V2O5在室温下表现出很高的电阻,使其能够直接制造石墨烯器件而无需转移。一个具有高性能的晶圆级GVS肖特基光电探测器阵列被成功制造出来。无转移的器件制造工艺使其在工业化中具有很高的可行性。

文献:https://doi.org/10.1002/smll.202206738

北京工业大学《Small》:相变材料在400 °C催化石墨烯原位生长,用于晶圆级光电器件应用

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