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隨著傳統硅基器件的發展逐漸接近瓶頸,納米材料在新型電子器件中表現出了巨大應用潛力。二維材料是由單層或少層原子組成的超薄納米材料。隨著機械剝離、氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)、原子沉積(ALD)等技術的不斷發展,多種高質量的二維材料已被成功制備,如石墨烯、黑鱗(BP)、氮化硼、過渡金屬二硫化物等。二維材料不僅為新型納米器件的實現提供了一個豐富的材料庫,同時其優異的機械、電學、光學性能成為了研制場效應晶體管(FET)、光電探測器、超級電容、傳感器、憶阻器以及柔性器件的關鍵材料。

目前因特爾、臺積電等國際龍頭半導體公司已將二維材料納入新型芯片研發的技術路線中。為推進二維材料在芯片及電子系統領域的產業化,其后處理方法與工藝也成為了關鍵技術。一方面,二維材料后處理技術可以實現材料高精度的劃切、減薄、形變,是納米器件制造的重要手段。另一方面,該技術也可以對材料的結構及本征特性進行調控,進一步提高材料與器件的遷移率、開關比、光響應速度等,以滿足高性能納米器件研制的需求。目前,常見的二維材料后處理方法包括摻雜技術、應變工程、等離子處理、光輻照技術等。這些不僅可以對二維材料進行納米級精度的切割、減薄、燒蝕等加工,同時也可以對材料進行氧化還原、相變等改性以及誘導納米缺陷、納米結構等,可實現材料與器件性能的定向調控。

等離子處理技術

等離子處理是一種基于等離子體技術的表面處理技術,通常用于改變材料表面的化學和物理性質,以增強其特定的性能。等離子處理通過將氣體放電形成的等離子體作用于材料表面來實現。

等離子處理過程中,真空狀態下等離子反應室產生高能電場將氣體(如氧氣、氮氣、氬氣等)電離,形成等離子體(物質除固態、液態和氣態之外的第四態),等離子體是一種高度激發的氣態分子和離子的混合物,具有高能量、高速度和高反應性。這些高度活躍的微粒子與被處理材料的表面發生作用,以此來改變材料表面的物理和化學性質。

等離子體處理具有高效、潔凈度高、可控性好等優點,因此被廣泛應用于二維材料表面修飾、改性和摻雜等工藝流程。

在等離子體的轟擊下,二維材料表面的共價鍵、離子鍵、金屬鍵等會被破壞,部分原子或分子會被去除。因此,等離子處理技術可以對二維材料進行納米級精度的蝕除,實現材料的高精度減薄。

等離子處理技術不僅可以對二維材料進行納米精度的減薄、切割等加工,同時也可以對材料進行改性,以改善材料的物理化學特性,提高器件性能。

由于可以采用不同氣體產生等離子體,因此采用與二維材料發生化學反應的氣體可以對材料進行氧化還原、摻雜、誘導缺陷等改性。

二維材料的等離子刻蝕與改性

綜上所述：等離子處理技術不僅可以實現對二維材料的減薄、切割,也可以誘導材料發生氧化還原、缺陷形成、相變以及摻雜等,使材料的晶格結構、元素組成發生變化,進而提高電子器件、光電器件的遷移率、開關比、響應時間、光響應度等性能，為實現復雜結構的器件提供了技術手段。