氧等离子体刻蚀对石墨烯性能的影响

氧等离子体刻蚀对石墨烯性能的影响∗

魏芹芹;何建廷

【摘要】Exfoliated few layers graphene on silicon oxide were exposed into oxygen-plasma,Raman spectra, Atomic force microscope (AFM)and electrical measurement are used to characterize the influence of oxygen-plasma etching on the properties of graphene.Results show that lots of defects will be introduced to graphene by oxygen-plasma etching,and these defects will act as the initial point for the following etch,and layer by layer etching is realized.In addition,metal particles and organic materials deposition can be introduced during the ox-ygen-plasma etching.All these factors lead to linear decrease of the two-terminal conductance and n-type doping characteristics of graphene.%对机械剥离在Si O 2表面的多层石墨烯进行氧等离子体刻蚀，通过拉曼光谱、原子力显微镜和电学性能表征来研究氧等离子体轰击对石墨烯特性的影响。结果表明氧等离子体轰击会在表层石墨烯中引入大量缺陷，大量缺陷的存在又会诱导对石墨烯的进一步刻蚀，从而实现逐层刻蚀石墨烯。另外，氧等离子体轰击的过程在做了金属电极的石墨烯中引入金属颗粒等其它物质，这几方面的原因最终导致在氧等离子体刻蚀石墨烯的过程中石墨烯的两端电导呈现近似线性的减小，石墨烯出现n型掺杂效应。

【期刊名称】《功能材料》

【年(卷),期】2014(000)024

【总页数】4页(P24087-24090)

【关键词】石墨烯;氧等离子体轰击;缺陷;电学特性;拉曼光谱

【作者】魏芹芹;何建廷

【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255049;山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255049

【正文语种】中文

【中图分类】TB34

1 引言

石墨烯作为一种电学性能优异的电子材料，它的载流子密度可以通过外加电压控制，其载流子迁移率比硅材料高两个数量级。石墨烯纳电子器件的发展非常迅速［1-5］。机械剥离或化学气相沉积制备的石墨烯样品，层数和形状不统一，需要对它们进行图形化。通常利用氧等离子体轰击石墨烯，使石墨烯中的碳-碳键断裂，碳

原子与氧原子反应生成一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)气体，实现对石墨烯的刻蚀［6-10］。氧等离子体刻蚀已成为目前图形化石墨烯的主要方法。因此研究氧等

离子体刻蚀对石墨烯特性的影响对石墨烯的应用具有重要意义。Amirhasan等发

现氧等离子体处理可以使零带隙的单层石墨烯打开能带，呈现半导体的特性［11］;T．Gokus等发现氧等离子体轰击可以使单层石墨烯产生较强的光致发光

特性［12］。本文选择对机械剥离到SiO2表面的较厚的石墨烯进行刻蚀，通过拉曼光谱、原子力显微镜和电学性能表征研究了氧等离子体轰击对石墨烯特性的影响。

2 实验

实验选择对剥离到硅衬底表面的较厚的石墨烯进行刻蚀。衬底为表面生长有300 nm氧化层的P(100)硅片，用机械剥离的方法制备石墨烯样品［13］，并用光学

显微镜对石墨烯进行选择定位，实验选择宽度为1～2μm，厚度在5～10 nm之

间的较厚的石墨烯进行刻蚀，石墨烯的实际厚度通过原子力显微镜进行测量;然后

用电子束曝光加电子束沉积的方法在选定的石墨烯样品两端制备源漏电极，电极采用金(50 nm)/钛(10 nm)双层金属结构，两电极的宽度为2μm，源漏电极之间的

距离为2μm。以硅衬底作为背栅，300 nm的SiO2作为背栅氧化层，与石墨烯

一起构成了以石墨烯为沟道的背栅场效应晶体管结构。在同一块硅衬底上共制备了15个有效样品用于本实验。

电极制备完成后首先对原始样品的电学特性，拉曼光谱和表面形貌进行表征。电学特性测量是通过在硅衬底上加背栅电压，源电极接地，漏电极加电压，测量器件的输出特性和转移特性。对原始样品表征完成后，利用氧等离子体清洗机(PDC-M)

对石墨烯样品进行刻蚀，刻蚀条件为氧气流量400 mL/min，工作功率为240 W。共分4个周期进行刻蚀，每个周期持续时间分别为10，40，50和100 s，每完成一个周期的刻蚀就立即对样品进行表征，包括电学性能，拉曼光谱和原子力显微镜形貌表征。以上所有的测试表征都在大气环境下进行。

器件电学性能是利用SUMMIT高低温探针台及Agilent B1500A分析系统进行测试;其拉曼光谱分析用Renishaw inVia plus激光拉曼光谱仪，表面形貌用DI公司的Multimode NanoscopeⅢa原子力显微镜。能谱分析用FEI NanoSEM高分辨场发射扫描电镜。

3 结果与讨论

3．1 电学性能分析

图1给出了石墨烯样品在4个刻蚀周期中源漏电流及两端电导随累计刻蚀时间的

变化情况。其中，图1(b)中的插图为该器件在未刻蚀时的原子力显微镜图。利用

原子力显微镜测试石墨烯样品的原始厚度为约7．5 nm，对应层数约为15～20层。从图1(a)可以看出，随着刻蚀的进行，样品的两端电阻逐渐增大，但是输出