江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

忆阻器类脑芯片与人工智能( 四 )


石墨烯作为第一种被发现的二维材料[30-31] ， 其独特的电学、光学和机械性能吸引了广泛的研究热潮 。 石墨烯的制备方法多种多样 ， 包括机械剥离[30] ， 氧化还原[32-34],碳化硅延[35-36]和化学气相沉积（CVD）[37-40] 。 其中 ， 以金属薄膜（铜、镍[38,40]）为催化剂通过CVD法在金属表面制备石墨烯是目前最为常用的石墨烯生长方法之一 。 该方法具有石墨烯质量高、产量大的优点 。 但是 ， 金属衬底生长的石墨烯无法直接制备电子器件 ， 需要通过转移工艺将石墨烯从金属衬底表面转移其他目标衬底（半导体或绝缘体衬底） 。 转移工艺带来的复杂和不确定性是限制石墨烯发展的瓶颈之一 。 因此 ， 石墨烯直接生长的研究应运而生 ， 成为目前石墨烯生长的研究热门领域之一 。 石墨烯直接生长指的是在目标衬底表面生长得到石墨烯薄膜 ， 无需转移 。 石墨烯的直接生长又可以简单分为3类[41]：无金属催化直接生长[42-43] ， 等离子体增强直接生长[44-45] ， 以及金属催化辅助的直接生长[46-49] 。 目前 ， 直接生长工艺发展迅速 ， 一些报道中石墨烯的质量已经可以比拟金属衬底CVD催化的石墨烯质量 。 但是 ， 直接生长还存在一个问题是生长温度过高 ， 目前报道的直接生长的石墨烯温度普遍在1000°C以上[42-44,46-49] ， 绝大多数衬底都难以承受如此高的生长温度 。 于是 ， 降低石墨烯的生长温度迫在眉睫 。 目前低温直接生长石墨烯主要有以下途径：选用易裂解碳源 ， 如含有苯环的有机物碳源[50] 。 甲烷是高温生长石墨烯最常用的碳源 ， 但是在低温下 ， 甲烷难以完全裂解 ， 导致石墨烯质量明显下降 。 选用一些有机物碳源 ， 更易裂解 ， 因而能够提高低温下生长石墨烯的质量 。 另外有研究人员利用独特的液态金属来实现低温石墨烯生长 ， 如液态镓 ， 液态锡[51-52] 。 这种液态金属催化不仅能够实现碳源的低温裂解 ， 同时液态金属表面没有晶界 ， 更加平整 ， 也有利于提高石墨烯质量 。 此外 ， 还有通过钛催化实现接近常温的石墨烯生长[53] 。 等离子体增强技术也被用来实现石墨烯的低温生长[44,54] ， 由于加了离子体 ， 能够实现甲烷的低温裂解 ， 从而在低温下实现石墨烯的生长 ， 该方法是最适合大批量的石墨烯低温生长的技术之一 。 我们课题组通过等离子体增强技术在600°C实现石墨烯在铜镍合金表面的低温生长 ， 同时 ， 结合我们此前发表的原位腐蚀工艺[55] ， 能够实现在绝缘衬底表面免转移得到图形化的石墨烯薄膜 。 等离子体增强技术目前仍存在一些问题 。 由于温度降低 ， 同时等离子体反应比较剧烈 ， 因此得到的石墨烯的质量普遍较差 ， 另外石墨烯的层数难以控制 。 我们发现要提高石墨烯的质量和均匀性主要有以下两点：首先 ， 要选用有更高催化性的金属；其次 ， 要提高低温下碳原子在金属表面的扩散速度 。 如图1[54]所示 ， 选用铜镍合金薄膜作为催化金 ， 通过磁控溅射沉积不同厚度的铜和镍薄膜 ， 退火后得到不同组分的铜镍合金薄膜 。 可以看到 ， 随着铜镍合金中镍组分的升高 ， 石墨烯的拉曼光谱的D峰逐渐降低 ， D峰代表石墨烯的谷间缺陷引起的共振散射[56] ， D峰越高表示石墨烯的缺陷越多 。
忆阻器类脑芯片与人工智能文章插图
图1.不同镍铜比下 ， 铜镍合金生长石墨烯在300nm二氧化硅衬底表面的拉曼光谱与对应的光学显微镜图片
镍比铜有着更好的催化性[57] ， 因此 ， 随着镍组分的升高 ， 石墨烯的缺陷逐渐减少 ， 质量逐渐升高 。 同时 ， 我们也发现随着镍组分的升高 ， 石墨烯的颜色变得更深且更加不均匀 。 不同层数的石墨烯在300nm二氧化硅上会显现出不同的对比度[58] ， 因此 ， 颜色变深代表石墨烯的层数逐渐增多 ， 颜色不均匀代表石墨烯的层数分布的不均匀 。 我们发现造成这种现象的原因主要是碳原子在铜表面的扩散速度高 ， 而在镍表面的扩散速度低 。 对于镍组分低的样品 ， 碳原子的表面扩散速度快 ， 因而可以在极短的时间内就生长成连续的石墨烯薄膜 ， 当石墨烯长满金属表面后 ， 金属被石墨烯包裹 ， 隔绝了与甲烷的接触 ， 金属的催化作用消失 ， 生长速度被极大地放缓 。 虽然等离子体的存在使甲烷仍在不断裂解 ， 但是失去了金属的催化作用 ， 石墨烯的生长速度变得极为缓慢 。 对于镍组分高的样品 ， 碳原子在其表面扩散速度慢 ， 因而碳原子会在石墨烯的成核点处堆积 。 相比于镍组分低的样品 ， 石墨烯长满需要更长的时间 ， 在这个过程中 ， 金属的催化作用一直存在 ， 同时由于镍组分的提高 ， 合金的催化性也会提高 ， 因此石墨烯的生长速度会更快 ， 更长的催化时间和更快的生长速度 ， 导致石墨烯的厚度很厚 ， 且不均匀 。 举一个形象的比喻来说 ， 就是把一杯水倒在一个平面上 ， 水会在平面上很快地流动形成一层均匀的水膜 ， 但是当把一杯沙子倒在平面上的时候 ， 沙子则会在平面上堆积 ， 如图2[54]所示 ， 碳原子在铜表面的扩散就相当于“把水倒在平面上” ， 而碳原子在镍表面的扩散就相当于“把沙子倒在平面上” 。


推荐阅读


上一篇：Win10 2004补丁更新 增强系统安全性

下一篇：苹果手机的录音功能在哪？教你快速开启，想录音太方便了