导读


最近,英国国家物理实验室(NPL)研发出世界上首个非破坏性质量控制方法,使得牛津仪器公司(Oxford Instruments)能够推进二维材料MoS2的晶圆级制造技术的商业化。


关键字

二维材料电子半导体


背景


对于智能手机、可穿戴设备和物联网设备等来说,小型化的需求日益增长。然而,传统的硅材料正面临尺寸极限。这一点,笔者曾在《摩尔定律,是生存还是毁灭?》一文中有过介绍。有鉴于此,科学家们正在寻找传统硅材料的新的替代品。由于独特的电气和机械特性,二维材料这些年来引起了科学界和产业界的广泛重视。其中最具代表性莫过于石墨烯了,它得到了广泛的研究和应用,笔者以往的文章有过多次介绍,这里就不一一列举了。

二维材料,一般是指一般由一层或者几层原子组成电子仅可在两个维度上自由运动(平面运动)的材料,例如石墨烯、氮化硼、过渡族金属化合物(二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨)、黑磷等等。正如笔者曾在新型柔性微处理器:由超薄二维材料二硫化钼制成!》一文中所介绍,单层的二硫化钼 (MoS2)是一种非常出色的二维材料,其独特的电子和光学特性为下一代电子和光电设备的发展铺平了道路。


(图片来源于: Hermann Detz/维也纳技术大学 )


为了推进二维材料组成的电子设备的商业化,行业会面临一些列的挑战,例如:进行质量控制检查的同时,不会毁坏或者损伤材料对于单层二维材料来说,它们只有一层原子或者分子的厚度。目前为止,评估它们的质量只能使用破坏性的技术。这种二维材料中的缺陷,会影响基于MoS2 的电子设备的性能。


所以,研究和量化缺陷的数量,而又不引发损害的能力,对于材料的大规模生产、设备制造和材料功能化来说都很重要。


创新


最近,英国国家物理实验室(NPL)研发出世界上首个非破坏性质量控制方法,使得牛津仪器公司(Oxford Instruments)能够商业化二维材料 (MoS2)的晶圆级制造技术。


牛津仪器公司,是工业和研究相关的高技术系统和工具的提供商。这家公司旨在开发新型沉积系统和工艺,以更加工业化可扩展的方式帮助MoS2 进一步商业化。研究人员团队正需要一种合适的质量控制方法,并且从国家石墨烯计量中心(NGMC)的研究中寻求帮助,该中心是在NPL进行二维材料特性描述和高级测量的全球领导者。


技术


NPL 之前关于MoS2 的研究为牛津仪器公司提供了技术,帮助他们开发他们自己的质量控制工艺。


NPL 高级研究科学家 Andrew Pollard 博士称:


我们正在调查使用拉曼光谱学来描述MoS2,并且发现具有可行性的高通量和非破坏性技术,用于量化这种令人兴奋的二维材料中的缺陷。这项研究的重要之处在于,作为第一步,我们能够使用我们之前研究石墨烯的工作成果,可控地将缺陷引入到MoS2


因此,牛津仪器的高级科学家 Ravi Sundaram 称:


“我们能够采用NPL的工业重点研究作为框架,开发我们自己的新型质量控制测量。这种测量采用拉曼光谱学,来量化采用化学蒸汽沉积技术生产 MoS2 过程中的缺陷。这些技术广泛应用于石墨烯,但是在NPL的研究发布之前,并没有现成的方法,以非破坏性的方式检测MoS2 的质量。材料的质量的检测能力让我们可以优化生长工艺。这样保证了我们能够利用工具,提供非常高质量,低缺陷密度的MoS2 的薄膜。


价值


这种质量控制工艺可以通过工业化扩展的技术,描述二维MoS2 分层,帮助他们加速二维材料的商业化。Ravi 说:


“我们的学术和工业用户正在寻找方法,高效地生产和描述这些新材料。MoS2 是一种理想的电子材料,且一些公司对它感兴趣。高效的生产对于这种材料的商用可行性和吸引力来说都很重要。这项技术帮助我们为客户提供高质量和具有竞争力的产品。”


未来对于电子和光电设备来说,MoS2 都是让人感到有希望的。它固有的薄膜原子结构具有一些优势,不仅能够缩小传统电子设备的尺寸,而且也为在传感器等芯片上增加功能元件开拓了可能性。另外,它的半导体结构对于光学应用例如光伏和发光设备也很有帮助。


(图片来源于:NPL)


所以,采用非破坏性的方法,扩大MoS2 的产量和评估它的质量,不仅对于制造商,而且对于整个行业都有巨大的益处。

参考资料


【1】Sandro Mignuzzi et al. Effect of disorder on Raman scattering of single-layerMoS2, Physical Review B (2015). DOI: 10.1103/PhysRevB.91.195411

【2】Elisha Mercado et al. A Raman metrology approach to quality control of 2D MoS2 film fabrication, Journal of Physics D: Applied Physics (2017). DOI: 10.1088/1361-6463/aa6786

【3】http://www.npl.co.uk/news/new-production-method-for-2d-materials-could-lead-to-smarter-devices



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二维材料制造新方法:非破坏性的质量控制
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