GB∕T 43682-2024 納米技術 亞納米厚度石墨烯薄膜載流子遷移率及方塊電阻測量方法（正式版）

納米技術亞納米厚度石墨烯薄膜載流子遷移率及方塊電阻測量方法resistanceofgraph2024-03-15發(fā)布2024-07-01實施國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會I前言 12規(guī)范性引用文件 13術語和定義 4原理 25設備 36器件制備及測量過程 47計算方法 78不確定度的分析與計算 99測量報告 附錄A(資料性)化學氣相沉積(CVD)法生長的石墨烯樣品#1的方塊電阻及載流子遷移率 參考文獻 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國科學院提出。本文件由全國納米技術標準化技術委員會(SAC/TC279)歸口。本文件起草單位：泰州巨納新能源有限公司、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、上海巨納科技有限公司、烯旺新材料科技股份有限公司、廈門凱納石墨烯技術股份有限公司、泰州飛榮達新材料科技有限公司、泰州石墨烯研究檢測平臺有限公司、東南大學、南京大學、電子科技大學(深圳)高等研究院、清華大學、江南大學、貴州金特磨削科技開發(fā)有限公司、福建翔豐華新能源材料有限公司、北京石墨烯研究院有限公司、北京孵烯檢測認證有限公司、欣旺達電子股份有限公司。石墨烯薄膜廣泛應用于電子器件領域，如顯示、通信和可穿戴設備。不同的應用對石墨烯薄膜的載流子遷移率和方塊電阻有不同的要求，而載流子遷移率和方塊電阻決定了石墨烯薄膜的性能。載流子遷移率和方塊電阻是石墨烯薄膜質(zhì)量控制和產(chǎn)品開發(fā)的關鍵控制特性。從觸摸屏到太陽能電池，方塊電阻變化了兩到三個數(shù)量級。然而，即使由相同的薄膜制成，從不同結構的器件中提取的載流子遷移率也存在巨大差異。本文件的制定有利于規(guī)范石墨烯薄膜的霍爾器件形狀、電極類型、電極接觸方式、測量步驟等，提高石墨烯薄膜質(zhì)量評價體系的科學性，降低不同實驗條件對載流子遷移率和方塊電阻測量造成的干擾。同時，本文件規(guī)定的測量方法操作簡單，成本低廉，具有良好的經(jīng)濟效益。IN1納米技術亞納米厚度石墨烯薄膜載流子遷移率及方塊電阻測量方法本文件描述了亞納米厚度石墨烯薄膜的霍爾器件樣品制備與載流子遷移率及方塊電阻測量的原本文件適用于長度和寬度均大于100μm的亞納米厚度石墨烯薄膜的載流子遷移率(<10?cm2/Vs)和方塊電阻的測量。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。厚度尺寸小于1nm的石墨烯薄膜。若對通電的樣品施加磁場，由于洛倫茲力的影響，在與電流和磁場垂直的方向上產(chǎn)生橫向電勢差的現(xiàn)象。材料中平行于電流的電位梯度與電流密度之比。注：電阻率是材料參數(shù)中可直接測量的量。在亞納米厚度石墨烯薄膜(3.1)試樣上同時加上互相垂直的電場和磁場，則試樣中的載流子將在第3個互相垂直的方向上偏轉(zhuǎn)，在試樣兩側建立的橫向電場。[來源：GB/T4326—2006,2.2,有修改]霍爾電場(3.4)對電流密度和磁通密度之積的比。載流子遷移率hallmobilityofchargecarrier霍爾系數(shù)(3.5)的絕對值與電阻率之比。寬長比aspectratio霍爾器件的寬度(w)和長度(l)的比值。2注：寬度方向與霍爾器件施加電流的方向垂直，長度方向與霍爾器件施加電流的方向一致。霍爾器件沿施加電流方向的電勢差與電流大小的比值。方塊電阻sheetresistance用于間接表征亞納米厚度石墨烯薄膜(3.1)電阻率(3.3)性能的測量值。注：方塊電阻是亞納米厚度石墨烯薄膜(3.1)霍爾器件的長程電阻(3.8)和寬長比(3.7)之積。4原理當帶電的載流子(圖1中以電子為例)在石墨烯薄膜樣品中運動時，將產(chǎn)生霍爾效應。這種電勢差對帶電載流子產(chǎn)生的庫侖力逐漸增加，當庫侖力與洛倫茲力大小相等時，帶電粒子不再偏轉(zhuǎn)。此時，帶電粒子在電場作用下移動的快慢程度即為載流子遷移率。相同的電場強度下，載流子遷移率越大，運動得越快；遷移率越小，運動得越慢。單位薄膜面積上的電阻值則代表方塊電阻。標引說明：1——石墨烯薄膜；2——二氧化硅介質(zhì)層；3——電子型摻雜的硅襯底(n+Si);I——縱向電流；B,——外加磁場；Vx—-長程電壓；Vy——霍爾電壓；Vg——柵極電壓源；x——長程電壓方向；y——霍爾電壓方向x——外加磁場方向。圖1亞納米厚度石墨烯薄膜的霍爾器件樣品測量方法示意圖35設備5.1加熱臺加熱范圍為60℃~80℃,溫度誤差不超過1℃。5.2掩模版對準裝置能定位、固定并與試樣表面貼合。掩模版的寬長比在1:5～1:1。5.3幾何尺寸測量設備包括帶讀數(shù)刻度的光學顯微鏡、原子力顯微鏡和臺階儀：a)帶讀數(shù)刻度的光學顯微鏡的物鏡目鏡放大倍數(shù)乘積不低于200倍，含數(shù)字相機，可成彩色像，其像素優(yōu)于5萬；b)原子力顯微鏡的垂直方向分辨率優(yōu)于10nm;c)臺階儀的最大可測量臺階高度不低于10μm,垂直方向分辨率優(yōu)于10nm。5.4電極沉積設備包括熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)鍍膜儀。在真空度優(yōu)于10-3Pa的環(huán)境下沉積金屬。5.5磁體包括電磁體和永久磁體。磁體可提供的最大磁場強度不低于4πA/m[1A/m=(4π/1000)Oe]。磁體的磁場強度誤差不超過1%。5.6電學設備最大可輸出電流不低于1A,最小電流精度優(yōu)于1μA。電流穩(wěn)定性誤差不超過0.5%。測量時電流在試樣上建立的電場不超過1V/cm。最大可輸出電壓不低于80V,最小電壓精度優(yōu)于0.1mV。電壓穩(wěn)定性誤差不超過0.5%。標稱阻值的誤差不超過0.1%。電流表的最大可測量電流不低于0.1A,精度優(yōu)于10μA。電流表的誤差不超過0.5%。包括數(shù)字電壓表、電位差計、伏特計和靜電計等。最大可測量電壓不低于1V,精度優(yōu)于1mV。電壓測量誤差不超過1%。電壓表的輸入阻抗大于被測試樣總阻抗的1000倍。5.7試樣夾具承載樣品并將樣品固定在測量區(qū)域的無磁部件。45.8氧等離子體刻蝕設備腔體最低真空度小于10-3Pa,最低刻蝕功率不低于20W。腔體真空度和刻蝕功率的誤差不超6器件制備及測量過程6.1試樣的轉(zhuǎn)移對于襯底是絕緣襯底的石墨烯薄膜，無需轉(zhuǎn)移，采用6.2.1的步驟制備器件。對于襯底是金屬襯底的石墨烯薄膜，可先把金屬襯底上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至絕緣襯底表面，再采用6.2.1的步驟制備器件；也可直接把金屬襯底上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至具有預制電極的絕緣襯底上，采用6.2.2的步驟制備器件。上述絕緣襯底應為表面具有300nm±5nm厚的SiO?層的Si底(以下稱為300nmSiO?/Si襯底),襯底表面粗糙度不超過0.2nm。轉(zhuǎn)移過程中應減少褶皺、摻雜及污染，轉(zhuǎn)移后的薄膜應保持完整，即在光學顯微鏡放大200倍下無轉(zhuǎn)移后的樣品應清洗。依次使用丙酮、去離子水、異丙醇進行清洗，在60℃±5℃下各浸泡6.2器件的制備6.2.1器件制備方式一對于原已生長在或已轉(zhuǎn)移至絕緣襯底上的石墨烯薄膜，按以下步驟制備器件(如圖2所示):a)將第一件模版組裝在石墨烯薄膜上，實現(xiàn)緊密面接觸；b)依次沉積不低于10nm厚的Ti與50nm厚的Au金屬電極，沉積通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷等方法完成；c)第二件模版的組裝；d)沉積不低于100nm厚的Al?O?層；e)采用氧等離子刻蝕工藝去除未被Al?O?層保護的石墨烯；f)在濃度1mol/L的磷酸溶液中浸泡不少于10min,去除Al?O?保護層，磷酸和Al?O?的質(zhì)量比不低于2:1。5標引序號說明：1——絕緣襯底；2——石墨烯薄膜；3——第一件模版；4——金屬電極；5——第二件模版；6—--Al?O?保護層。圖2器件制備流程一6.2.2器件制備方式二如采用直接把金屬襯底上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至具有預制電極的襯底上的方法，通過以下流程簡化制備工藝(如圖3所示):a)將預制電極模版組裝在表面氧化為SiO。的高摻硅襯底上，實現(xiàn)緊密面接觸；b)依次沉積不低于10nm厚的Ti與50nm厚的Au金屬預制電極，沉積通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷等方法完成；c)將石墨烯樣品轉(zhuǎn)移至具有預制電極的表面氧化為SiO?的高摻硅襯底上；d)將第二件模版組裝在石墨烯薄膜上，實現(xiàn)緊密面接觸；e)沉積不低于100nm厚的Al?O?層；f)采用氧等離子刻蝕工藝去除未被Al?O?層保護的石墨烯；g)在濃度1mol/L的磷酸溶液中浸泡不少于10min,去除Al?O?保護層，磷酸和Al?O?的質(zhì)量比不低于2:1。6預制電極模版組裝沉積預制電極轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜等離子體刻蝕氧化物沉積標引序號說明：1——絕緣襯底(表面氧化為SiO。的高摻硅襯底);2——預制電極模版；3——預制電極；4——被轉(zhuǎn)移到具有預制電極的襯底上的石墨烯薄膜；5——第二件模版；6——Al?O?保護層。圖3器件制備流程二6.3測量6.3.1測量步驟以下為試樣的具體測量步驟。a)將試樣置于磁場中心，使得試樣平面與磁場方向垂直。低溫測量時，試樣架應置于杜瓦瓶中或安裝在低溫制冷機冷臺上。b)按圖4連接測試線路，確認所有線路連接準確無誤后，打開測試裝置的開關。c)對樣品施加恒定的磁場，磁場方向垂直于試樣表面，磁場強度宜為0.2T。d)通過電流源在石墨烯霍爾器件兩側施加一個縱向的電流I(宜為100μA),然后自-60V~60V等步長掃描柵極電壓，步長宜為0.2V。使用電壓表讀取V?、V?及V?端口的電壓值并記錄V?、V?及V?隨柵極電壓變化的曲線。然后取距離Vmp大于20V的柵壓處的V?、V?及V?值，其中Vc指的是電荷中性點處對應的背柵電壓，按照第7章計算該次測量的載流子遷移率μ?和方塊電阻R。e)電流反向，重復步驟d),按照第7章計算該次測量的載流子遷移率μz和方塊電阻R。。f)磁場反向，再次重復步驟d),按照第7章計算該次測量的載流子遷移率μs和方塊電阻R。g)電流再次反向，第3次重復步驟d),按照第7章計算該次測量的載流子遷移率μ?和方塊電7GB/T43682—20244435磁場控制器2電壓表輸入：電壓轉(zhuǎn)接盒石黑烯霍爾器件標引說明：1——電壓表&.電流源；2——轉(zhuǎn)接盒；3——電腦；4——磁場控制器；5——石墨烯霍爾器件；V?,V?,V?——圖中端口對應的電勢值；Vx——長程電壓值；Vy—-霍爾電壓值。圖4石墨烯霍爾測試系統(tǒng)6.3.2數(shù)據(jù)取平均式(2)計算最終的載流子遷移率μ和方塊電阻的測量值R、:μ=(μ?+μz+μ?+μ?)/4 R?=(R?+R?+R?+R?)/4 (2)7計算方法按公式(3)計算長程電壓：Vxx=V?-V?Vx——長程電壓，又稱縱向電壓，單位為伏特(V);V?——圖4中對應V?端口的電勢，單位為伏特(V);V?——圖4中對應V?端口的電勢，單位為伏特(V)。按公式(4)計算霍爾電壓：式中：Vy——霍爾電壓，又稱橫向電壓，單位為伏特(V);V?——圖4中對應V?端口的電勢，單位為伏特(V);V?——圖4中對應V?端口的電勢，單位為伏特(V)。8按公式(5)計算長程電阻：Rx=(V?-V?)/IRx——長程電阻，又稱縱向電阻，單位為歐姆(Ω);I——縱向電流，單位為安培(A)。按公式(6)計算霍爾電阻：式中：Ry——霍爾電阻，又稱橫向電阻，單位為歐姆(Ω);I——縱向電流，單位為安培(A)。按公式(7)計算電阻率：p=(Rxwt)/l………………(7)式中：Rx——長程電阻，又稱縱向電阻，單位為歐姆(Ω);w——石墨烯薄膜的寬度，單位為厘米(cm);t——石墨烯薄膜的厚度，單位為厘米(cm);l——石墨烯薄膜的長度，單位為厘米(cm)。按公式(8)計算霍爾電場：式中：Ey——霍爾電場，單位為伏特每厘米(V/cm);Vy——霍爾電壓，又稱橫向電壓，單位為伏特(V);w——石墨烯薄膜的寬度，單位為厘米(cm)。按公式(9)計算霍爾系數(shù)：Rh=Ey/JB=(Eywt)/(IB)=Ryt/B…………(9)式中：R——霍爾系數(shù)，單位為歐姆厘米每特斯拉(Ω·cm/T);Ey——霍爾電場，單位為伏特每厘米(V/cm);J——電流密度，單位為安培每平方厘米(A/cm2);B——磁場強度，單位為特斯拉(T);w——石墨烯薄膜的寬度，單位為厘米(cm);t——石墨烯薄膜的厚度，單位為厘米(cm)。按公式(10)計算載流子遷移率：μ=R/p=(Rwt/B)/[(Rww μ——載流子遷移率，單位為平方厘米每伏特秒(cm2/Vs);R——霍爾系數(shù)，單位為歐姆厘米每特斯拉(Ω·cm/T);Rx——長程電阻，又稱縱向電阻，單位為歐姆(Ω);Ry——霍爾電阻，又稱橫向電阻，單位為歐姆(Ω);l—-石墨烯薄膜的長度，單位為厘米(cm);w——石墨烯薄膜的寬度，單位為厘米(cm);9GB/T43682—2024B——磁場強度，單位為特斯拉(T)。注：等步長掃描柵極電壓，并通過公式(10)計算對應柵極電壓下的載流子遷移率，其關系參見圖A.2。按公式(11)計算方塊電阻：式中：R、——方塊電阻，又稱面電阻，單位為歐姆每方塊(Ω/sq);Rx——長程電阻，又稱縱向電阻，單位為歐姆(Ω);w——石墨烯薄膜的寬度，單位為厘米(cm);l——石墨烯薄膜的長度，單位為厘米(cm)。8不確定度的分析與計算8.1不確定度來源分析不確定度包括但不限于下列來源：a)長程電壓、縱向電流、磁場強度等參數(shù)測量誤差引入的不確定度；b)樣品引入的不確定度：石墨烯薄膜的長度、寬度等；c)測量重復性引入的不確定度。8.2不確定度的計算方塊電阻和載流子遷移率的合成標準不確定度由測量設備、樣品和測量重復性共同決定，其中由測量設備、樣品本身引入的不確定度采用B類不確定度評定方法，由測量重復性引入的不確定度采用A類不確定度評定方法[3]。本測量方法可預期的方塊電阻的B類合成標準不確定度為1.1%,載流子遷移率的B類合成標準不確定度為1.3%。合成標準不確定度計算方法如公式(12)、公式(13)所示。按照公式(12)計算方塊電阻的合成標準不確定度：u.(R、)=√uv2+u?2+um2+u2+5g.2式中：u.(R?)——方塊電阻的合成標準不確定度；uv——由長程電壓帶來的不確定度分量u?——由縱向電流帶來的不確定度分量；u?！墒┍∧さ膶挾葞淼牟淮_定度分量；u?——由石墨烯薄膜的長度帶來的不確定度分量；sg.——方塊電阻10次重復測量值的標準偏差；δ——由第5章中規(guī)定的對應設備誤差；k——置信因子，測量分布為均勻分布，故