用于在石墨烯中形成纳米间隙的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于在石墨烯中形成纳米间隙的方法，所述方法包括跨越石墨烯的区域施加电压，这样使得形成跨越该石墨烯的整个宽度延伸的纳米间隙，其中施加该电压所跨越的该区域包括在所述区域中最窄的点。

Method for forming nano gap in graphene

The invention relates to a method for forming nano gap in graphene, the method includes applying a voltage across the graphene region, so that the formation of nano gap over the entire width of the graphene extends, the region including in the area of the narrowest point of the voltage applied across the.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在石墨烯中形成纳米间隙的方法
本专利技术涉及用于在石墨烯中形成纳米间隙的方法，更尤其是，涉及石墨烯电极和包含它们的装置的生产。
技术介绍
其中每个功能单元仅由单分子形成的集成电路被认为是电子装置缩放的最终形式。分子装置功能性的实验证明包括：整流器、开关和晶体管，并且已经在通过单分子的电荷传输中观察到量子干涉的效应。为了驾驭单个分子的全部潜能，对稳健并且相同的装置(例如三端装置)，包括提供在室温下稳定的替代电极材料存在需要。由于共价键结构的高温稳定性、经由官能化锚定不同分子的能力、共价地抑或使用π-π堆积、以及由于电极的极端薄度(少至单原子层)而减小的栅极场的屏蔽，石墨烯是用于替代金属电极的有希望的候选物。最近已经证明了石墨烯与常规硅电子产品的晶片规模的生长和集成。出现了有助于制造基于石墨烯的分子结的两种不同的方法。这两种方法中的第一个是基于化学气相沉积(CVD)生长的石墨烯点接触的等离子体蚀刻。借助过蚀刻，光刻限定的图案产生小于或等于纳米的纳米间隙，并且可以控制间隙的位置，虽然以产率为代价，其中经由该方法形成的装置具有约33％的产率。另一种方法是基于称为电烧的过程，它依赖于石墨烯的电流诱导击穿。尽管该方法可以给出高产率并且允许(例如通过改变氧的分压)对纳米间隙的尺寸进行一些控制，但是由于电烧过程的随机性质，不能很好地对所制造的纳米间隙的位置进行控制。这是一个问题，因为石墨烯纳米间隙的许多应用(例如用作电极)需要可以大规模再现的间隙的精确定位。因此，需要用于形成石墨烯纳米间隙的过程，并且该过程提供用于在晶片规模上实现可控、高产率、可复制的制造的可行途径。
技术实现思路
本专利技术的诸位专利技术人已经令人惊讶地发现，纳米间隙制造策略，包括使特定形状的石墨烯片经受电烧过程(例如反馈控制电烧)，可以在石墨烯片中产生精确控制的纳米间隙。该过程以比先前报道相比的更高的产率来实现对纳米间隙的尺寸和位置的精确控制。因此，从第一方面来看，本专利技术提供了一种用于在石墨烯中形成纳米间隙的方法，所述方法包括跨越石墨烯的区域施加电压(或使电流通过所述区域)，这样使得形成跨越石墨烯的整个宽度延伸的纳米间隙，其中施加电压所跨越的区域(或电流通过的区域)包括在所述区域中最窄的点。尽管如在此所述的方法被方便地描述为涉及跨越石墨烯的指定区域施加电压，但是它同样可以被视为涉及电流通过该区域。由于电压和电流之间的熟知关系，这对于本领域的普通技术人员将是清楚的，并且本披露应当作相应解释。因为所得的石墨烯结构包括其中具有纳米间隙的石墨烯，所以本专利技术的方法还可以被视为用于形成石墨烯结构(例如包括跨越片宽度延伸的间隙的石墨烯片、由纳米间隙分开的一对石墨烯片或由纳米间隙分开的石墨烯电极)的方法。连续的间隙可以在同一片中或在分开的(例如相邻的)片中形成，并且可以按具体应用所需来选择间隙的几何形状和相对取向。本专利技术的方法的特征在于，施加电压的石墨烯包含一个点，该点比施加电压所跨越的区域中的所有其他点都更窄(其中宽度为垂直于电压方向的尺寸)。本专利技术的诸位专利技术人已经发现，在该最窄点处形成间隙，因此，通过使用适合形状的石墨烯可以控制纳米间隙的位置。可以使用包括这样一种窄点的任何形状，然而，最方便地是通过使用“凹口”形状来实现，即一种形状(如矩形、正方形或任何其他规则的或不规则的或无定形的形状)，其中一个凹口已经沿多个边缘之一被从中去除(即去除一个三角形，该三角形的尖端指向远离片的边缘)。凹口带是尤其优选的，即石墨烯优选处于从中一个凹口已经从多个长边缘之一去除的矩形形状。图5(a)给出了凹口带形状的实例。石墨烯或石墨烯片可以包括石墨烯的多于一个原子层，例如，它可以是“少层石墨烯”(FLG)，尤其是包括1至50、尤其是1至20、优选1至5个层(例如1或2个层)的石墨烯。尤其优选地，它是单层石墨烯(SLG)。由于碳原子被其他原子替换、石墨烯的官能化、抑或由于存在除了石墨烯以外的材料片，所以该片可以包括含除了碳以外的元素。优选地，该片基本上由石墨烯组成；优选该片并不包含杂质，即其基本上不含杂质。本专利技术的方法涉及向石墨烯施加电压，这样使得形成间隙，即电流诱导间隙形成的应用，它在本领域中称为“电烧”。不希望受理论束缚，据认为，纳米间隙的形成是由在石墨烯边缘处的碳-碳键的断裂所介导的(由于不完全的sp2-杂化，边缘碳原子更具反应性)。令人惊讶地，本专利技术的纳米间隙形成过程是经由跨越石墨烯的最窄区域的裂缝发展来进行的，而不是由于边缘键断裂而导致片的预期的逐渐变窄(参见例如图3(d))。以此方式，最窄点的位置(它可以是预先确定的，例如通过光刻)可以确定纳米间隙的精确位置，从而实现对先前不可获得的纳米间隙位置的控制。因此，本专利技术可以被视为使用窄点，例如凹口的使用，以控制石墨烯中的间隙形成位置。电烧是在一些方面类似于电迁移(即其中系统中的电流增加直到电击穿的过程)的方法。在本专利技术的方法中，跨越石墨烯的区域施加电压。该电压造成电流流过石墨烯，这导致造成电击穿的电流，即石墨烯中的间隙的电流诱导的形成。控制电压是优选的，因为其不需要主动稳定化。通过在电压增加期间测量电流(或者可替代地，测量电阻)，发生击穿的点可以被监测为(突然的或逐渐的)电流减小。本专利技术的方法涉及跨越石墨烯的包含最小宽度的点的区域进行此过程，并且如上所述，在此点处形成间隙。由于电流和电阻之间的反比关系，在此对电流测量的引用应理解为适用于电阻的测量，并且反之亦然。类似地，对电流增加的引用应当被理解为对应于电阻减小，并且反之亦然。电烧过程可以在任何适合的气氛中进行。尽管术语“电烧”表明该过程应该在化学反应性气氛中进行，例如包括氧气的气氛(例如空气)，但该术语应理解为覆盖在其他气氛中进行的过程，例如分子的或原子的氢或在低的或高的真空中(在这些情况下，术语“电烧”是一种以此类推的方便标记)。在优选的方面，电烧步骤是反馈控制的。因此，优选地，电压施加的过程包括：(a)在记录电流(或电阻)的同时增加电压；(b)当所述电流下降(或所述电阻增加)时减小电压并且重复步骤(a)和(b)，直到已经形成间隙。在此关于电压变化和电流测量，主讨论电烧过程和反馈控制的特征。然而，由于电压、电流和电阻之间的关系，本专利技术应当被理解为同样适用于其中电流被改变和电压被测量的方法(例如，如果由于使用的设备，这样做更方便)。因此，过程的上述优选方面可以被视为涉及：(a)在记录该电压的同时增加电流；(b)当所述电压上升时减小电流；并且重复步骤(a)和(b)，直到已经形成间隙。反馈控制允许更精确地控制间隙尺寸。确定电压应该减小的点是基于观察到电流下降的点，例如当电流的变化满足预先确定反馈条件时。因此，反馈条件被设置为控制在什么点应当减小电压，例如，迅速下降(“斜降”)到零。优选地，施加电压(或电流)斜坡(即上述步骤(a))多次，其中在每个应用中施加反馈条件。因此，优选地，步骤(a)和(b)进行从1至500次，优选2至100次，尤其是5至50次。然而，使用反馈控制意味着不需要预先确定循环的次数。可以使用另一反馈标准来确定何时形成所需尺寸的间隙。优选地，在施加电压期间测量电阻。间隙形成可以通过测量电阻来确定。当低偏电阻超过某一水平时(例如100-1000MΩ、优选300-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在石墨烯中形成纳米间隙的方法，所述方法包括跨越石墨烯的区域施加电压，这样使得形成跨越该石墨烯的整个宽度延伸的纳米间隙，其中施加该电压所跨越的该区域包括在所述区域中最窄的点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.11 GB 1412356.6;2015.04.07 GB 1505908.21.一种用于在石墨烯中形成纳米间隙的方法，所述方法包括跨越石墨烯的区域施加电压，这样使得形成跨越该石墨烯的整个宽度延伸的纳米间隙，其中施加该电压所跨越的该区域包括在所述区域中最窄的点。2.如权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯是单层石墨烯(SLG)。3.如权利要求1或2所述的方法，包括：(a)在记录电流的同时增加该电压；(b)当所述电流下降时减小该电压并且重复步骤(a)和(b)，直到已经形成所述纳米间隙。4.如权利要求1或2所述的方法，包括：(a)在记录该电压的同时增加电流；(b)当所述电压下降时减小电流并且重复步骤(a)和(b)，直到已经形成间隙。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过分析I-V测量来确定该纳米间隙的宽度。6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中电导的变化用于确定间隙形成的开始。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该纳米间隙的宽度为0.1至5nm、优选0.5至2.5nm、特别是1至2nm。8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该石墨烯是CVD生长的石墨烯。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在施加该电压之前，该石墨烯为包括凹口的带形式。10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在施...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔治·安德鲁·戴维森·布里格斯，简·安德里斯·莫尔，
申请(专利权)人：牛津大学科技创新有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB