一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法与流程

本发明涉及纳米科技技术领域，特别是涉及一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法。

背景技术：

近年来，二维材由于其优异的光电机械性能引起了人们极大的关注，以二维材料为主的各种功能器件也被广泛的应用于各个领域。而在器件的制备过程中，如场效应晶体管，栅极绝缘层的选择尤其重要。高介电常数的材料做绝缘层有助于提高晶体管的电学性能。一般通过原子层沉积的方法生长高介电常数材料，如氧化铝和氧化铪等，但是该方法却很难直接沉积在二维材料的表面，这主要是因为原子层沉积主要是通过化学吸附一层一层的沉积在物体表面，二维材料的表面没有悬键，所以需要对其表面进行一些预处理产生形核点。

然而，现有的一些预处理的方法会影响二维材料的本征特性。如等离子体处理、旋涂一层胶或者预先蒸一层氧化层等，这些方法不仅操作麻烦，而且还会在二维材料的表面引进一些杂质或缺陷，有的甚至会破坏二维材料的晶格结构。

因此，需要一种不经过预处理就能直接在二维材料表面生长高介电材料的原子层沉积方法，其能够防止和避免在二维材料的表面引入杂质和缺陷，从而保证了二维材料的本征特性，制备出高性能的基于二维材料的功能器件。

技术实现要素：

本发明的一个目的是要提供一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，其能够通过物理吸附使氧化铝沉积在二维材料的表面，此方法不仅简单方便，而且还可以避免在二维材料的表面引入杂质和缺陷，从而保持了其本征特性。

特别地，本发明提供了一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，包括以下步骤：

在氧化硅衬底上剥离单层或多层的二维材料；

将剥离的二维材料在高温下退火去除表面吸附；

将剥离的或者直接生长的二维材料放入原子层沉积系统中进行若干个沉积循环生长氧化铝的沉积的原子层。

可选地，其中一个沉积循环包括一个三甲基铝的脉冲和若干个水的脉冲。

可选地，一个三甲基铝的脉冲时间大于预定时间，所述一个三甲基铝的脉冲过程中，使过量的三甲基铝通过物理吸附沉积在二维材料的表面。

可选地，任一个所述水的脉冲过程中，水与部分吸附沉积在二维材料的表面的三甲基铝进行反应，将其氧化成氧化铝，经若干个所述水的脉冲循环后，吸附沉积在二维材料的表面的三甲基铝被完全氧化成氧化铝。

可选地，一个沉积循环中，一个三甲基铝的脉冲和水的脉冲，以及相邻的两个水的脉冲之间的间隔时间相同，所述间隔时间与常规的原子层沉积方法相同。

可选地，所述二维材料包括剥离的单层或多层二维材料、生长所得到的二维材料、以及惰性的金膜表面。

可选地，一个三甲基铝的脉冲过程中，一个三甲基铝的脉冲时间为100-1000ms，脉冲气压为0.4Torr。

可选地，一个水的脉冲过程中，脉冲时间是100ms,脉冲气压为1Torr。

可选地，在一个三甲基铝的脉冲后采用机械泵抽吸一预定时间。

可选地，在任一个水的脉冲后采用机械泵抽吸一预定时间。

本发明提供的一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，将剥离的或者直接生长的二维材料放入原子层沉积系统中进行若干个沉积循环生长氧化铝的沉积的原子层。其中一个沉积循环包括一个三甲基铝的脉冲和若干个水的脉冲。其可以应用于任意的原子层沉积系统中、任意的二维材料表面、高介电常数材料氧化铝。

本发明提供的一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，其不经过预处理就能直接在二维材料表面生长高介电材料，能够防止和避免在二维材料的表面引入杂质和缺陷，从而保证了二维材料的本征特性，制备出高性能的基于二维材料的功能器件

本发明的优点：

1)利用本发明的方法生长的氧化铝薄膜质量高、均一性好；

2)利用本发明的方法生长的氧化铝可直接沉积在二维材料的表面，过程简单；

3)利用本发明的方法在二维材料表面生长氧化铝时，保持了二维材料的本征特性，不会引进杂质和缺陷；

4)本发明的方法沉积氧化铝的速度比较快，节约时间；

5)本发明的方法沉积的氧化铝可用于器件的大面积制备。

以上这些特点使得这种新的原子层沉积方法简单快捷，具有很高的应用价值。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明提供的一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法的一个沉积循环的实施步骤原理图；

图2是使用本发明的原子层沉积方法直接沉积氧化铝在(a)剥离的石墨烯薄膜、(b)气相沉积法生长的单层二硫化钼薄膜和(c)金膜表面的原子力显微镜示意图；

图3是使用本发明的原子层沉积方法沉积60个循环的氧化铝时的氧化铝厚度、水的脉冲数及介电常数的关系图。

具体实施方式

图1是本发明提供的一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法的一个沉积循环的实施步骤原理图。图2是使用本发明的原子层沉积方法直接沉积氧化铝在(a)剥离的石墨烯薄膜、(b)气相沉积法生长的单层二硫化钼薄膜和(c)金膜表面的原子力显微镜示意图。如图1所示，本发明提供的一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，一般性地可以包括以下步骤：

S1、在氧化硅衬底上剥离单层或多层的二维材料；

S2、将剥离的二维材料在高温下退火去除表面吸附；

S3、将剥离的或者直接生长的二维材料放入原子层沉积系统中进行若干个沉积循环生长氧化铝的沉积的原子层。

具体地，本发明提供的一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，将剥离的或者直接生长的二维材料放入原子层沉积系统中进行若干个沉积循环生长氧化铝的沉积的原子层。其中一个沉积循环包括一个三甲基铝的脉冲和若干个水的脉冲。其可以应用于任意的原子层沉积系统中、任意的二维材料表面、高介电常数材料氧化铝。其二维材料包括剥离的单层或多层二维材料、生长所得到的二维材料、以及惰性的金膜表面等。

本发明提供的一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，可适用于所有沉积温度，包括高温沉积和低温沉积。

其中，一个三甲基铝的脉冲时间大于预定时间。一个三甲基铝的脉冲过程中，使过量的三甲基铝通过物理吸附沉积在二维材料的表面。在本发明中延长三甲基铝的脉冲时间，使其每一个三甲基铝的脉冲内，三甲基铝出来(吸附沉积在二维材料的表面三甲基铝)的量是常规的原子层沉积方法中的十倍以上。如图1中第一个小图中所示，在一个三甲基铝的脉冲过程中，三甲基铝3通过物理吸附沉积在衬底1和放置在衬底1上的二维材料2的表面。在进行一个三甲基铝的脉冲后，采用机械泵对原子层沉积系统进行抽吸预定时间。

在任一个水的脉冲过程中，每个水的脉冲时间和出水量与常规量(现有技术中常规的原子层沉积方法中)相同或大于常规量均可。水与部分吸附沉积在二维材料2的表面的三甲基铝3进行反应，将其氧化成氧化铝4。经若干个水的脉冲循环后，吸附沉积在二维材料2的表面的三甲基铝3被完全氧化成氧化铝4。如图1中第二个小图中所示，即为经过第一次水的脉冲之后，部分吸附沉积在二维材料2的表面的三甲基铝3被氧化成氧化铝4。如图1中第三个小图中所示，即为经过第二次水的脉冲之后，更多部分吸附沉积在二维材料2的表面的三甲基铝3被氧化成氧化铝4。如图1中第四个小图中所示，即为经过第若干次水的脉冲之后，吸附沉积在二维材料2的表面的三甲基铝3完全被氧化成氧化铝4。在一个沉积循环中，一个三甲基铝的脉冲和水的脉冲，以及相邻的两个水的脉冲之间的间隔时间相同。如图1所示，即为一个沉积循环中在二维材料表面沉积生长的氧化铝的原子层，再经过若干个沉积循环，即可实现需求厚度的氧化铝的原子层的沉积生长。

下面结合更具体的一些实施例进行详细说明。

实验在常规的两英寸的原子层沉积系统中，16SCCM的高纯氮作为载气，沉积温度分别用了180℃和110℃。

如图1所示，在一个沉积循环中：

1、首先是一个过量的三甲基铝的脉冲，一个三甲基铝的脉冲时间设为的100ms,脉冲气压为0.4Torr,过量的三甲基铝通过物理吸附沉积在二维材料的表面，之后用机械泵抽60s。

2、其次是第一个水的脉冲，脉冲时间是100ms,脉冲气压为1Torr,与部分三甲基铝进行反应，将其氧化成氧化铝，机械泵抽60s。

3、重复具体实施方法2中的条件依次进行多个水脉冲的循环直至三甲基铝被完全氧化成氧化铝。

利用本发明的方法在二维材料以及金表面沉积了40nm的氧化铝，用原子力显微镜对其表面进行了表征，如图2所示，氧化铝完全沉积在了剥离的石墨烯、生长的单层二硫化钼以及金膜的表面，表面平整均一，连续性好。

利用本发明的方法沉积的氧化铝的厚度和介电常数与水的脉冲数有关。

利用本发明的方法在金膜上沉积60个循环，分别把每个循环中水的脉冲数设为1、2、3、4，然后用原子力显微镜表征其厚度，如图3所示，厚度随着水的脉冲数增加，但是当水的脉冲增加到4的时候，其厚度基本不再变化，说明三甲基铝已全部被氧化成了氧化铝。

然后在氧化铝/金膜上做面积为100μm×100μm的金电极。具体制作方法如下，在氧化铝/金膜旋涂一层AR-5350胶，速度为4000转/分钟，在100℃的热板上烘烤4分钟，利用紫外光刻技术曝光设计好的电极结构，显影后利用电子束蒸发系统蒸30nm金，然后用丙酮去除多余的ar-5350胶，得到电极。然后用四探针台和半导体分析仪B1500测量氧化铝薄膜的电容，并通过计算的得到其介电常数，如图3所示，介电常数随着水的脉冲而增加，说明三甲基铝被氧化的越来越充分，当水的脉冲数为4的时候，介电常数可达9.6。

本发明提供的一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，其不经过预处理就能直接在二维材料表面生长高介电材料，能够防止和避免在二维材料的表面引入杂质和缺陷，从而保证了二维材料的本征特性，制备出高性能的基于二维材料的功能器件

本发明的优点：

1)利用本发明的方法生长的氧化铝薄膜质量高、均一性好；

2)利用本发明的方法生长的氧化铝可直接沉积在二维材料的表面，过程简单；

3)利用本发明的方法在二维材料表面生长氧化铝时，保持了二维材料的本征特性，不会引进杂质和缺陷；

4)本发明的方法沉积氧化铝的速度比较快，节约时间；

5)本发明的方法沉积的氧化铝可用于器件的大面积制备。

以上这些特点使得这种新的原子层沉积方法简单快捷，具有很高的应用价值。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。