(高清版)GBT 43682-2024 纳米技术 亚纳米厚度石墨烯薄膜载流子迁移率及方块电阻测量方法

纳米技术亚纳米厚度石墨烯薄膜载流子迁移率及方块电阻测量方法resistanceofgraph2024-03-15发布2024-07-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I前言 12规范性引用文件 13术语和定义 4原理 25设备 36器件制备及测量过程 47计算方法 78不确定度的分析与计算 99测量报告 附录A(资料性)化学气相沉积(CVD)法生长的石墨烯样品#1的方块电阻及载流子迁移率 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口。本文件起草单位：泰州巨纳新能源有限公司、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、上海巨纳科技有限公司、烯旺新材料科技股份有限公司、厦门凯纳石墨烯技术股份有限公司、泰州飞荣达新材料科技有限公司、泰州石墨烯研究检测平台有限公司、东南大学、南京大学、电子科技大学(深圳)高等研究院、清华大学、江南大学、贵州金特磨削科技开发有限公司、福建翔丰华新能源材料有限公司、北京石墨烯研究院有限公司、北京孵烯检测认证有限公司、欣旺达电子股份有限公司。石墨烯薄膜广泛应用于电子器件领域，如显示、通信和可穿戴设备。不同的应用对石墨烯薄膜的载流子迁移率和方块电阻有不同的要求，而载流子迁移率和方块电阻决定了石墨烯薄膜的性能。载流子迁移率和方块电阻是石墨烯薄膜质量控制和产品开发的关键控制特性。从触摸屏到太阳能电池，方块电阻变化了两到三个数量级。然而，即使由相同的薄膜制成，从不同结构的器件中提取的载流子迁移率也存在巨大差异。本文件的制定有利于规范石墨烯薄膜的霍尔器件形状、电极类型、电极接触方式、测量步骤等，提高石墨烯薄膜质量评价体系的科学性，降低不同实验条件对载流子迁移率和方块电阻测量造成的干扰。同时，本文件规定的测量方法操作简单，成本低廉，具有良好的经济效益。IN1纳米技术亚纳米厚度石墨烯薄膜载流子迁移率及方块电阻测量方法本文件描述了亚纳米厚度石墨烯薄膜的霍尔器件样品制备与载流子迁移率及方块电阻测量的原本文件适用于长度和宽度均大于100μm的亚纳米厚度石墨烯薄膜的载流子迁移率(<10⁴cm²/Vs)和方块电阻的测量。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。厚度尺寸小于1nm的石墨烯薄膜。若对通电的样品施加磁场，由于洛伦兹力的影响，在与电流和磁场垂直的方向上产生横向电势差的现象。材料中平行于电流的电位梯度与电流密度之比。注：电阻率是材料参数中可直接测量的量。在亚纳米厚度石墨烯薄膜(3.1)试样上同时加上互相垂直的电场和磁场，则试样中的载流子将在第3个互相垂直的方向上偏转，在试样两侧建立的横向电场。[来源：GB/T4326—2006,2.2,有修改]霍尔电场(3.4)对电流密度和磁通密度之积的比。载流子迁移率hallmobilityofchargecarrier霍尔系数(3.5)的绝对值与电阻率之比。宽长比aspectratio霍尔器件的宽度(w)和长度(l)的比值。2注：宽度方向与霍尔器件施加电流的方向垂直，长度方向与霍尔器件施加电流的方向一致。霍尔器件沿施加电流方向的电势差与电流大小的比值。方块电阻sheetresistance用于间接表征亚纳米厚度石墨烯薄膜(3.1)电阻率(3.3)性能的测量值。注：方块电阻是亚纳米厚度石墨烯薄膜(3.1)霍尔器件的长程电阻(3.8)和宽长比(3.7)之积。4原理当带电的载流子(图1中以电子为例)在石墨烯薄膜样品中运动时，将产生霍尔效应。这种电势差对带电载流子产生的库仑力逐渐增加，当库仑力与洛伦兹力大小相等时，带电粒子不再偏转。此时，带电粒子在电场作用下移动的快慢程度即为载流子迁移率。相同的电场强度下，载流子迁移率越大，运动得越快；迁移率越小，运动得越慢。单位薄膜面积上的电阻值则代表方块电阻。标引说明：1——石墨烯薄膜；2——二氧化硅介质层；3——电子型掺杂的硅衬底(n+Si);I——纵向电流；B,——外加磁场；Vx—-长程电压；Vy——霍尔电压；Vg——栅极电压源；x——长程电压方向；y——霍尔电压方向x——外加磁场方向。图1亚纳米厚度石墨烯薄膜的霍尔器件样品测量方法示意图35设备5.1加热台加热范围为60℃~80℃,温度误差不超过1℃。5.2掩模版对准装置能定位、固定并与试样表面贴合。掩模版的宽长比在1:5～1:1。5.3几何尺寸测量设备包括带读数刻度的光学显微镜、原子力显微镜和台阶仪：a)带读数刻度的光学显微镜的物镜目镜放大倍数乘积不低于200倍，含数字相机，可成彩色像，其像素优于5万；b)原子力显微镜的垂直方向分辨率优于10nm;c)台阶仪的最大可测量台阶高度不低于10μm,垂直方向分辨率优于10nm。5.4电极沉积设备包括热蒸发或电子束蒸发镀膜仪。在真空度优于10-3Pa的环境下沉积金属。5.5磁体包括电磁体和永久磁体。磁体可提供的最大磁场强度不低于4πA/m[1A/m=(4π/1000)Oe]。磁体的磁场强度误差不超过1%。5.6电学设备最大可输出电流不低于1A,最小电流精度优于1μA。电流稳定性误差不超过0.5%。测量时电流在试样上建立的电场不超过1V/cm。最大可输出电压不低于80V,最小电压精度优于0.1mV。电压稳定性误差不超过0.5%。标称阻值的误差不超过0.1%。电流表的最大可测量电流不低于0.1A,精度优于10μA。电流表的误差不超过0.5%。包括数字电压表、电位差计、伏特计和静电计等。最大可测量电压不低于1V,精度优于1mV。电压测量误差不超过1%。电压表的输入阻抗大于被测试样总阻抗的1000倍。5.7试样夹具承载样品并将样品固定在测量区域的无磁部件。45.8氧等离子体刻蚀设备腔体最低真空度小于10-3Pa,最低刻蚀功率不低于20W。腔体真空度和刻蚀功率的误差不超6器件制备及测量过程6.1试样的转移对于衬底是绝缘衬底的石墨烯薄膜，无需转移，采用6.2.1的步骤制备器件。对于衬底是金属衬底的石墨烯薄膜，可先把金属衬底上的石墨烯薄膜转移至绝缘衬底表面，再采用6.2.1的步骤制备器件；也可直接把金属衬底上的石墨烯薄膜转移至具有预制电极的绝缘衬底上，采用6.2.2的步骤制备器件。上述绝缘衬底应为表面具有300nm±5nm厚的SiO₂层的Si底(以下称为300nmSiO₂/Si衬底),衬底表面粗糙度不超过0.2nm。转移过程中应减少褶皱、掺杂及污染，转移后的薄膜应保持完整，即在光学显微镜放大200倍下无转移后的样品应清洗。依次使用丙酮、去离子水、异丙醇进行清洗，在60℃±5℃下各浸泡6.2器件的制备6.2.1器件制备方式一对于原已生长在或已转移至绝缘衬底上的石墨烯薄膜，按以下步骤制备器件(如图2所示):a)将第一件模版组装在石墨烯薄膜上，实现紧密面接触；b)依次沉积不低于10nm厚的Ti与50nm厚的Au金属电极，沉积通过热蒸发、电子束蒸发或丝网印刷等方法完成；c)第二件模版的组装；d)沉积不低于100nm厚的Al₂O₃层；e)采用氧等离子刻蚀工艺去除未被Al₂O₃层保护的石墨烯；f)在浓度1mol/L的磷酸溶液中浸泡不少于10min,去除Al₂O₃保护层，磷酸和Al₂O₃的质量比不低于2:1。5标引序号说明：1——绝缘衬底；2——石墨烯薄膜；3——第一件模版；4——金属电极；5——第二件模版；6—--Al₂O₃保护层。图2器件制备流程一6.2.2器件制备方式二如采用直接把金属衬底上的石墨烯薄膜转移至具有预制电极的衬底上的方法，通过以下流程简化制备工艺(如图3所示):a)将预制电极模版组装在表面氧化为SiO。的高掺硅衬底上，实现紧密面接触；b)依次沉积不低于10nm厚的Ti与50nm厚的Au金属预制电极，沉积通过热蒸发、电子束蒸发或丝网印刷等方法完成；c)将石墨烯样品转移至具有预制电极的表面氧化为SiO₂的高掺硅衬底上；d)将第二件模版组装在石墨烯薄膜上，实现紧密面接触；e)沉积不低于100nm厚的Al₂O₃层；f)采用氧等离子刻蚀工艺去除未被Al₂O₃层保护的石墨烯；g)在浓度1mol/L的磷酸溶液中浸泡不少于10min,去除Al₂O₃保护层，磷酸和Al₂O₃的质量比不低于2:1。6预制电极模版组装沉积预制电极转移石墨烯薄膜等离子体刻蚀氧化物沉积标引序号说明：1——绝缘衬底(表面氧化为SiO。的高掺硅衬底);2——预制电极模版；3——预制电极；4——被转移到具有预制电极的衬底上的石墨烯薄膜；5——第二件模版；6——Al₂O₃保护层。图3器件制备流程二6.3测量6.3.1测量步骤以下为试样的具体测量步骤。a)将试样置于磁场中心，使得试样平面与磁场方向垂直。低温测量时，试样架应置于杜瓦瓶中或安装在低温制冷机冷台上。b)按图4连接测试线路，确认所有线路连接准确无误后，打开测试装置的开关。c)对样品施加恒定的磁场，磁场方向垂直于试样表面，磁场强度宜为0.2T。d)通过电流源在石墨烯霍尔器件两侧施加一个纵向的电流I(宜为100μA),然后自-60V~60V等步长扫描栅极电压，步长宜为0.2V。使用电压表读取V₁、V₂及V₃端口的电压值并记录V₁、V₂及V₃随栅极电压变化的曲线。然后取距离Vmp大于20V的栅压处的V₁、V₂及V₃值，其中Vc指的是电荷中性点处对应的背栅电压，按照第7章计算该次测量的载流子迁移率μ₁和方块电阻R。e)电流反向，重复步骤d),按照第7章计算该次测量的载流子迁移率μz和方块电阻R。。f)磁场反向，再次重复步骤d),按照第7章计算该次测量的载流子迁移率μs和方块电阻R。g)电流再次反向，第3次重复步骤d),按照第7章计算该次测量的载流子迁移率μ₄和方块电7GB/T43682—20244435磁场控制器2电压表输入：电压转接盒石黑烯霍尔器件标引说明：1——电压表&.电流源；2——转接盒；3——电脑；4——磁场控制器；5——石墨烯霍尔器件；V₁,V₂,V₃——图中端口对应的电势值；Vx——长程电压值；Vy—-霍尔电压值。图4石墨烯霍尔测试系统6.3.2数据取平均式(2)计算最终的载流子迁移率μ和方块电阻的测量值R、:μ=(μ₁+μz+μ₃+μ₄)/4 R₅=(R₁+R₂+R₃+R₄)/4 (2)7计算方法按公式(3)计算长程电压：Vxx=V₁-V₂Vx——长程电压，又称纵向电压，单位为伏特(V);V₁——图4中对应V₁端口的电势，单位为伏特(V);V₂——图4中对应V₂端口的电势，单位为伏特(V)。按公式(4)计算霍尔电压：式中：Vy——霍尔电压，又称横向电压，单位为伏特(V);V₁——图4中对应V₁端口的电势，单位为伏特(V);V₃——图4中对应V₃端口的电势，单位为伏特(V)。8按公式(5)计算长程电阻：Rx=(V₁-V₂)/IRx——长程电阻，又称纵向电阻，单位为欧姆(Ω);I——纵向电流，单位为安培(A)。按公式(6)计算霍尔电阻：式中：Ry——霍尔电阻，又称横向电阻，单位为欧姆(Ω);I——纵向电流，单位为安培(A)。按公式(7)计算电阻率：p=(Rxwt)/l………………(7)式中：Rx——长程电阻，又称纵向电阻，单位为欧姆(Ω);w——石墨烯薄膜的宽度，单位为厘米(cm);t——石墨烯薄膜的厚度，单位为厘米(cm);l——石墨烯薄膜的长度，单位为厘米(cm)。按公式(8)计算霍尔电场：式中：Ey——霍尔电场，单位为伏特每厘米(V/cm);Vy——霍尔电压，又称横向电压，单位为伏特(V);w——石墨烯薄膜的宽度，单位为厘米(cm)。按公式(9)计算霍尔系数：Rh=Ey/JB=(Eywt)/(IB)=Ryt/B…………(9)式中：R——霍尔系数，单位为欧姆厘米每特斯拉(Ω·cm/T);Ey——霍尔电场，单位为伏特每厘米(V/cm);J——电流密度，单位为安培每平方厘米(A/cm²);B——磁场强度，单位为特斯拉(T);w——石墨烯薄膜的宽度，单位为厘米(cm);t——石墨烯薄膜的厚度，单位为厘米(cm)。按公式(10)计算载流子迁移率：μ=R/p=(Rwt/B)/[(Rww μ——载流子迁移率，单位为平方厘米每伏特秒(cm²/Vs);R——霍尔系数，单位为欧姆厘米每特斯拉(Ω·cm/T);Rx——长程电阻，又称纵向电阻，单位为欧姆(Ω);Ry——霍尔电阻，又称横向电阻，单位为欧姆(Ω);l—-石墨烯薄膜的长度，单位为厘米(cm);w——石墨烯薄膜的宽度，单位为厘米(cm);9GB/T43682—2024B——磁场强度，单位为特斯拉(T)。注：等步长扫描栅极电压，并通过公式(10)计算对应栅极电压下的载流子迁移率，其关系参见图A.2。按公式(11)计算方块电阻：式中：R、——方块电阻，又称面电阻，单位为欧姆每方块(Ω/sq);Rx——长程电阻，又称纵向电阻，单位为欧姆(Ω);w——石墨烯薄膜的宽度，单位为厘米(cm);l——石墨烯薄膜的长度，单位为厘米(cm)。8不确定度的分析与计算8.1不确定度来源分析不确定度包括但不限于下列来源：a)长程电压、纵向电流、磁场强度等参数测量误差引入的不确定度；b)样品引入的不确定度：石墨烯薄膜的长度、宽度等；c)测量重复性引入的不确定度。8.2不确定度的计算方块电阻和载流子迁移率的合成标准不确定度由测量设备、样品和测量重复性共同决定，其中由测量设备、样品本身引入的不确定度采用B类不确定度评定方法，由测量重复性引入的不确定度采用A类不确定度评定方法[3]。本测量方法可预期的方块电阻的B类合成标准不确定度为1.1%,载流子迁移率的B类合成标准不确定度为1.3%。合成标准不确定度计算方法如公式(12)、公式(13)所示。按照公式(12)计算方块电阻的合成标准不确定度：u.(R、)=√uv²+u₁²+um²+u²+5g.²式中：u.(R₁)——方块电阻的合成标准不确定度；uv——由长程电压带来的不确定度分量u₁——由纵向电流带来的不确定度分量；u。——由石墨烯薄膜的宽度带来的不确定度分量；u₁——由石墨烯薄膜的长度带来的不确定度分量；sg.——方块电阻10次重复测量值的标准偏差；δ——由第5章中规定的对应设备误差；k——置信因子，测量分布为均匀分布，故