СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ГРАФЕНА Российский патент 2015 года по МПК H01L21/261 B82B3/00 

Предлагаемый способ изготовления полупроводникового графена относится к области производства полупроводниковых материалов, используемых в наноэлектронике.

Графен представляет собой двумерную сотообразную сетку, сформированную из sp² - гибридизованных атомов углерода (Фиг.1). В естественном состоянии имеет металлические свойства проводимости. Для построения электронных приборов графен необходимо сделать полупроводником [1].

Известны следующие методы превращения графена в полупроводник:

1) нанесение на полоски графена химических элементов, влияющих на электропроводность графена;

2) механическое одноосное напряжение на полоску графена. При нагрузке, равной 1% от соответствующей максимальной для межатомных связей, происходит изменение частоты рассеянного света, вызванного растяжением межатомных связей углерода [2].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является второй способ изготовления полупроводникового графена. К недостаткам этого способа следует отнести то, что он осуществляется в лабораторных условия, и на данном этапе невозможно организовать промышленное производство.

В отличие от прототипа в основе заявляемого изобретения лежит способ облучения заготовки графита тепловыми нейтронами, который уже несколько десятилетий используется для производства полупроводниковых материалов [3, 4].

Таким образом, согласно заявляемому изобретению заготовка графита облучается потоком тепловых нейтронов от ядерного реактора с целью осуществления реакции поглощения нейтронов ядрами изотопа C¹². В естественном виде графит имеет следующую концентрацию изотопов: C¹³ - 1,11%; C¹² - 98,89%.

Техническим результатом заявляемого изобретения является достижение определенной концентрации изотопа углерода C¹³, что обеспечивает открытие запрещенной зоны в десятки мэВ.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что используют заготовку графита с естественной концентрацией изотопов, воздействуют по всей поверхности заготовки потоком тепловых нейтронов для повышения концентрации изотопа C¹³, обеспечивающей открытие запрещенной зоны E_g, с последующим механическим расщеплением графита на отдельные атомарные полоски графена. Это возможно потому, что у графита слои графена слабосвязаны, при соприкосновении с химически чистой и ровной поверхностью подложки из окиси кремния (SiO₂) на ее поверхности остается слой графена, площадь которого может достигать 1 см².

Использование заявляемого изобретения позволяет упростить изготовление полупроводникового графена в промышленных масштабах, что может открыть эру графеновой электроники.

Новизна заявляемого изобретения заключается в способе изготовления полупроводникового графена путем обработки поверхности заготовки графита, имеющей первоначально металлическую проводимость, потоком тепловых нейтронов, в результате чего появляется полупроводимость.

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в том, что с повышением концентрации изотопа графена C¹³ изменяется энергия фононов кристаллической решетки графита. С добавлением одного нейтрона в ядро углерода происходит перенормировка электронной энергии и открытие запрещенной зоны E_g. Этот эффект легко доказать с помощью спектров комбинационного рассеяния света полосками графена с разной концентрации изотопа C¹³, полученных при комнатной температуре (Фиг.2) [5, 6]. Так, экспериментальная разница значений частоты оптического фонона в графене для диапазона концентраций изотопа C¹³, меняющейся от 0,01% до 99,2%, составляет 64 см^-1. В то же время известно [2], что красный сдвиг частоты на 14,2 см^-1, полученный в результате 1% нагрузки образца от максимального межатомного, привел к образованию запрещенной зоны, равной 300 мэВ.

Таким образом, из пропорции легко получить, что при замещении 99,2% изотопа C¹² на C¹³ в результате реакции поглощения (Фиг.3) запрещенная зона достигнет величины E_g=64·300/14,2=1,352эВ.

Техническая возможность использовать в процессе изготовления полупроводникового графена нейтроны объясняется высокой проникающей способностью незаряженных частиц. Нейтронам не требуется кинетическая энергия для прохождения кулоновского барьера при проникновении в ядро, и они могут взаимодействовать с ядрами вещества-мишени при разных энергиях.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами.

На Фиг.1 изображено расположение атомов углерода в графене;

На Фиг.2 изображены спектры комбинационного рассеяния графена при разной концентрации изотопа C¹³;

На Фиг.3 изображена схема облучения заготовки графита.

Способ реализуется следующим образом. Заготовка из графита облучается потоком тепловых нейтронов. В результате осуществляется реакция поглощения ядрами изотопа C¹² нейтрона по следующей схеме [4]:

$${С}_6^{12}+H_0^1=C_6^{13}+\gamma$$ ,

где $$X_Z^A$$ - химический элемент с обозначениями: A - массовое число, Z - атомный вещества;

γ - излучение, которое представляет величину освобожденной энергии, измеряемой в МэВ.

При повышении процентного содержания изотопа C¹³ в заготовке графита постепенно будет открываться запрещенная зона в графене. Так, увеличение концентрации изотопа C¹³ до 50% позволит получить запрещенную зону в графене порядка нескольких сот мэВ [5]. Наиболее подходящими для облучения следует считать тепловые нейтроны с энергией от 0,025 до 1 эВ.

При этом равномерность облучения можно рассчитать следующим образом.

Так, среднее значение глубины поглощения нейтронов заготовкой из графита L определяется по следующей формуле [4]:

L=1/K₀σ_i,

где K₀ - число атомов графита в 1 см³, равное 3,402·10²³ ат./см³ [4];

σ_i=0,0033барн - сечение поглощения изотопа C¹² [4].

Подставляя значения K₀ и σ_i в формулу, получим L=8,91 м. Эта цифра свидетельствует о том, что на глубине в несколько сантиметров, например, каждый десятый изотоп C¹² будет переведен с высокой вероятностью в изотоп C¹³, а ширина запрещенной зоны составит несколько десятков мэВ. Если перевести половину изотопов C¹² в изотоп C¹³, то величина запрещенной зоны в графене достигнет нескольких сот мэВ[5]. Величину запрещенной зоны можно получить из следующей пропорции: x=[32(см^-1)·300(мэВ)]/14,2(см^-1)=676(мэВ), где 32 см^-1 - частотный сдвиг оптического фонона при 50% замещении изотопов.

Известно, что графит состоит из графеновых слоев, которые можно отделить друг от друга механическим путем.

Рассчитаем время, которое требуется для повышения концентрации изотопа C¹³ в заготовке из графита. Так, интегральный поток φt для 50% перевода C¹² в изотоп C¹³ равен:

φt=0,5/σ_i,

где φ - интенсивность нейтронного потока;

t - время облучения.

Отсюда, при интенсивности нейтронного потока 10¹⁹ н/с см² время t составит 175,365 суток. При увеличении интенсивности облучения на порядок для изменения изотопического состава заготовки потребуется 17,54 суток. Затем облученную заготовку механическим путем расщепляют на отдельные атомарные слои графена. Полученные цифры свидетельствуют о реальности изготовления полупроводникового графена с помощью ядерных технологий.

Список литературы

1. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Наноэлектроника. - М.: «Бином», 2009. - 223 с.

2. Ni Z. H., Yu T.,Ku Y.H. et al. Uniaxial strain on grapheme: Raman spectroscopy study and band - gap opening ACS Nano // 3,483-492, 2009;

3. Журавлева Л.М., Плеханов В.Г. Ядерная нанотехнология низкоразмерных изотопически-смешанных структур. // Наноиндустрия. - 2009. - №4. - с.28-30.

4. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. - С-П, М., Краснодар, Лань, 2008. - Т.2. - 318 с.

5. Плеханов В.Г., Журавлева Л.М. Изотопическое создание полупроводникового графена. // Нанотехника. - 2012. - №3. - с.34-39.

6. Chen Sh., Wu Q., Mishra С. et al. Thermal properties of isotopically engineered grapheme, LANL ArXiv:cond-mat/1112.5752, 2011;

Изобретение относится к области производства полупроводниковых материалов, используемых в наноэлектронике. Техническим результатом изобретения является достижение определенной концентрации изотопа углерода С¹³, что обеспечит открытие запрещенной зоны в десятки мэВ. В способе изготовления полупроводникового графена используют заготовку графита, воздействуют по всей поверхности заготовки потоком тепловых нейтронов, затем производят ее механическую обработку для отделения атомарных слоев графита с заданной концентрацией изотопа углерода С¹³, определяющей ширину запрещенной зоны. 3 ил.

Способ изготовления полупроводникового графена, осуществляемый путем использования в качестве заготовки графита, отличающийся тем, что заготовку графита облучают потоком тепловых нейтронов, затем производят ее механическую обработку для отделения атомарных слоев графита с заданной концентрацией изотопа углерода C¹³, определяющей ширину запрещенной зоны.