Le graphène, une couche unique d'atomes de carbone étroitement liés dans un réseau hexagonal en nid d'abeille pour former un réseau bidimensionnel, est un matériau très intéressant avec un potentiel d'application électronique, optique, chimique et mécanique prometteur [Geim et Novoselov, Nat. Mater. 6, 183 (2007)]. Les propriétés du graphène le rendent adapté à une large gamme d'applications ; cependant, son avenir applicatif dépend encore des technologies à grande échelle capables de transférer de manière robuste et reproductible ses propriétés intrinsèques exceptionnelles dans des dispositifs ou des structures complexes. Il faut reconnaître qu'un problème technologique crucial, qui inhibe encore l'applicabilité des propriétés matérielles du graphène de haute qualité, est lié au modelage de ce matériau à l'aide d'instruments traditionnels de haut en bas et de méthodes lithographiques. Dans ce travail, nous détaillons nos recherches sur l'application d'une irradiation précise d'ions Ga+ de 30 keV pour façonner et modifier sélectivement la surface d'un précurseur de cuivre afin de promouvoir la croissance locale de domaines de surface de graphène. La morphologie de ces domaines est étudiée à l'aide de la microscopie à effet tunnel et de la spectroscopie afin de sonder simultanément les propriétés structurelles et électroniques à l'échelle atomique des films de graphène.
Dans ce travail, nous avons démontré que des domaines de graphène uniques peuvent être fabriqués, localisés et organisés directement via un processus spécifique de structuration par FIB à base de Ga+. Nous avons démontré que des doses élevées d'irradiation FIB (106 ions/pixel) peuvent résister au processus de réarrangement qui se produit pendant le processus de préparation CVD à haute température, une température requise dans notre chambre de croissance expérimentale pour obtenir des films de graphène de haute qualité. Le recuit du substrat de cuivre et l'élimination de l'oxyde natif de cuivre effectués vers 1060°C induisent un réarrangement significatif de la surface du précurseur de cuivre. En dessous du seuil de 105 ions/pixel, la surface fine (environ 10 nm d'épaisseur) modifiée par FIB est effacée par le processus de recuit. L'espacement des lignes, l'orientation ou l'irradiation en zigzag ont donné des résultats identiques sous la forme de films de graphène 2D localisés de haute qualité dont la taille correspond aux dimensions du motif d'irradiation FIB. La procédure que nous avons présentée, qui repose sur une irradiation FIB spécifique, peut être appliquée comme un processus discontinu et des centaines de dispositifs peuvent être fabriqués en une seule opération de structuration.
Enfin, les distances de séparation étudiées entre deux lignes de balayage adjacentes allant de 50 à 300 nm, ce qui représente un facteur d'environ 10 à 75 par rapport aux distances latérales projetées calculées des ions gallium de 35 keV (40 nm), suggèrent que les atomes de cuivre pulvérisés et redéposés (rendement de pulvérisation d'environ 10) pendant le processus d'irradiation par FIB jouent un rôle central dans notre approche.
References
Selective growth of graphene films on gallium-focused ion beam irradiated domains Editor’s Pick
Jacques Gierak1, Gilles Raynaud1, Caroline Guiziou1, Jean René Coudevylle1, Ali Madouri1, Lars Bruchhaus2, Achim Nadzeyka2, Björn Whittman2, Ralf Jede2, Christophe David1, Jean Christophe Girard1
Journal of Vacuum Science & Technology B 40, 052602 (2022)
DOI : https://doi.org/10.1116/6.0002104
Affiliations
1 C2N, 10 Boulevard Thomas Gobert 91120 Palaiseau, France
2 Raith GmbH, Konrad-Adenauer-Allee 8, 44263 Dortmund, Germany
Contact : Jacques Gierak
FIG. 1. (a) Optical microcopy image of the patterned structures after CVD growth of graphene. (b) Constant current STM topographic image (500nm x 500nm) obtained on a high dose FIB irradiation (106 ions/pixel) of the Cu(100). The Z colored scale varying from 0 to 20 nm is found to be identical to initial bare copper surface. (c) Higher resolution STM image (5nm x 5nm) performed on the same zone showing atomically resolved STM image of the surface graphene layer and its Fourier pattern in the inset. On this image the Z colored scale is varying from 0 to 130pm. The recorded shape of the individual carbon atoms is attributed to the anisotropic electronic structure of the tip apex atoms.
