В середине XX века кремний совершил великий прорыв в микроэлектронике, и пусть он и остается чрезвычайно востребованным материалом в производстве электронных чипов, физико-химические его ресурсы исчерпаны. Для микроэлектроники следующего поколения наиболее перспективным материалом оказался графен из-за его экстраординарных электрохимических и физических свойств.
Фото: Francis Sedgemore / Engineering at Cambridge / Flickr
Графен представляет собой двумерную (однослойную) аллотропную модификацию углерода. Его производство уже хорошо освоено для крупных промышленных нужд: например, для сенсорных экранов смартфонов. Сенсорный графен далек от идеала, но работает он хорошо, поскольку даже детские пальчики имеют огромную площадь порядка 10 кв. мм.
Однако для микроэлектроники необходим не только графен сверхвысокой химической чистоты и низкой дефектности, но и целый арсенал способов для создания локальных модификаций с заданными свойствами — вплоть до удаления графена с подложки.
Для обработки графенов используются также и оптические технологии: определенные участки материала окисляются в среде газа озона при помощи лазера или выжигаются лазерной абляцией. Однако оптические методы пока не совершенны, поскольку не дают однородности свойств обработанного графена.
Зеленоградские ученые тоже включились в «мировую графеновую гонку». Иван Бобриневский, Алексей Емельянов и Иван Комаров из Московского института электронной техники (Зеленоград) использовали пикосекундное и фемтосекундное импульсное лазерное воздействие с длиной волны 515 нм для химической модификации графена. В ходе экперимента они установили, что лазерное травление графена начиналось ниже порога графеновой абляции. Оказалось, что лазерная абляция чувствительна к дефектам графена, например линейным складкам и «островкам двухслойности».
Разумеется, ученые обратили внимание на разновидности таких дефектов, влияющих на ход лазерной обработки, и досконально изучили их. В частности, «островки двухслойности» представляли собой двухслойные углеродные хлопья с множеством нанотрещин. Дефекты такого рода значительно сильнее поглощали лазерную энергию (от двух до десяти раз). А дефекты типа «дивакансионный мостик» (пара соседствующих вакансий, ионных дыр в кристаллической решетке) уменьшали теплопроводность графена на порядок и тем самым препятствовали рассеиванию лазерной энергии. Соединение этих двух дефектов приводило к локальному перегреву, что сильно нарушало стабильность лазерной обработки графеновых пленок.
Дефекты типа «линейная складка» имеют внутренние механические напряжения и отличаются наличием химических функциональных групп, например карбонильных. Как и складка на человеческой одежде, графеновая складка состоит из нескольких слоев. Складки рассеивают фотоны, причем неравномерно, а их теплопроводность существенно ниже, чем у однослойного графена. Соединение этих двух факторов может приводить к растрескиванию складок и распространению трещин на значительные пространства графеновой пленки, что недопустимо в промышленной микроэлектронике. Это напоминает известную женскую проблему «колготки поползли» от небольшого локального разрыва (что недопустимо не только в высшем обществе, но даже и в демимонде).
Зеленоградские ученые также изучили влияние микроскопических количеств воды, замурованной под графеновой пленкой в зазоре между ней и подложкой. Присутствие воды даже в таких небольших количествах может приводить при лазерной абляции к взрывному разрушению графеновой пленки за счет парового взрыва.
Авторы исследования пришли к выводу, что для создания электронных проводящих систем с эффектом памяти на графене наиболее перспективным методом оказывается лазерное окислительное травление ниже порога абляции графена.
Владимир Тесленко