直写式AFM电刻蚀加工高质量石墨烯纳米带及其器件的特性研究

The two dimensional graphene is zero energy band gap, which is the key limitation to its application in the nanoelectronic devices. Fabrication of the high-quality graphene nanoribbons is one of the most effective ways to open the energy band gap in the graphene. In this project, the novel direct-writing AFM electric lithography technique is adopted to fabricate the graphene nanoribbons and their devices, which possesses the advantages of low-cost, high structural accuracy, controlled crystallographic orientation, no introduction of impurity and in-situ observation of the fabricated results. This technique is able to address the problem of fabricating high-quality graphene nanoribbons (with narrow width, specific crystallographic orientation and smooth edge), which remains the main bottleneck to manufacturing the graphene based nanoelectronic devices. This project aims to develop a new processing method for direct-writing AFM electric lithography of graphene nanoribbons and preliminarily apply it in the fabrication of graphene nanoribbon-based field effect transistor. The detailed contents include: (1) the machining tryouts under the two mechanisms of local oxidation and discharge erosion; (2) molecular dynamics simulations of the nanoscale material removal mechanisms under the two distinct principles and the effect of the graphene lattice defects on the fabrication results; (3) fabrication of the graphene nanoribbon-based field effect transistor with the AFM probe as the drain electrode and characterization of the electrical performance of the device so as to verify the capability of the direct-writing AFM electric lithography.

二维石墨烯没有能隙，是限制其在纳米电子器件中应用的关键问题，加工出高质量的石墨烯纳米带是目前在石墨烯中打开能隙的最有效途径之一。本项目采用新型的直写式AFM电刻蚀技术加工石墨烯纳米带及其器件，具有成本低、结构精度高、晶向可控、加工过程不引入杂质以及能原位检测加工结果的优势，能够解决目前制约石墨烯基纳米电子器件制造中的主要瓶颈——高质量石墨烯纳米带（窄带宽、特定晶向且边缘光滑）的加工。项目旨在开发出直写式AFM电刻蚀加工高质量石墨烯纳米带的新工艺，初步应用于制造石墨烯纳米带场效应晶体管器件。具体内容包括：（1）在局域氧化和放电蚀除两种加工机理下的工艺试验研究；（2）分子动力学计算机模拟不同机理下石墨烯材料蚀除的微观机制以及石墨烯中的晶格缺陷对于加工结果的影响；（3）加工以AFM探针为漏极的石墨烯纳米带场效应晶体管，并采用C-AFM对器件电学性能进行表征，从而验证直写式AFM电刻蚀加工的性能。

石墨烯及其他相关的二维材料在原子极限上提供了前所未有的提高器件性能的前景。尽管石墨烯材料具有优异的导电性能，却缺少能带，因此，难以应用于电子器件的制造中。打开石墨烯的能隙是石墨烯材料能够广泛应用于微纳米电子器件中的关键点和基础，其中，裁剪出宽度为纳米尺度限制的石墨烯纳米带是有效的方法之一。目前，高效、高精度地加工出极窄宽度的石墨烯纳米带仍是纳米尺度加工的一个挑战。本课题开发研究了基于直写式AFM电刻蚀加工方法的石墨烯纳米带加工技术。并且发展了具有特色的两大加工途径：局域AFM纳米放电刻蚀技术和局域AFM电化学阳极氧化加工技术。并且对以上两大基于直写式AFM的电刻蚀加工技术都进行了系统的实验研究以及有效的仿真模拟。具体研究成果主要包括：1）开展对高质量石墨烯纳米带的电刻蚀加工实验研究，其中包括采用局域AFM纳米放电刻蚀获得少层石墨烯片层和石墨烯纳米带；采用局域AFM电化学阳极氧化技术加工制备出任意方向且超小间距的高质量石墨烯纳米带（10~20 nm以下，已接近刻蚀加工的极限），原理上不会产生石墨烯晶格缺陷，边缘光滑；探索研究了采用直写式AFM力电耦合技术加工2.5D的金属电极，若与石墨烯纳米带的加工相结合，则有望实现在AFM上获得石墨烯纳米带基场效应晶体管器件的沟道-电极一体加工；采用CAFM原位检测了刻蚀加工后的石墨烯和局域氧化石墨烯的电学特性；2）开展了纳观尺度AFM电刻蚀加工机理的仿真研究，采用了LAMMPS大规模原子分子并行模拟软件，模拟和分析了纳米尺度下电刻蚀加工石墨烯材料的局域物理和化学过程，及其对晶格断裂、缺陷形成的影响规律；3）研究了石墨烯纳米带几何结构和缺陷对石墨烯场效应晶体管器件的电学性能的影响，基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法，通过原子尺度的模拟，自洽计算了基于石墨烯纳米带的场效应晶体管器件的电学特性，分析了石墨烯纳米带沟道的几何尺寸、缺陷等对器件电学性能的影响。