[发明专利]一种磁性离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应管的制备方法

说明书

本发明公开了一种磁性离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应管的制备方法，属于二维材料器件、电介质材料领域，包括以下步骤：第一步：制备金属电极，利用光刻胶在硅衬底上根据所需电极图案进行曝光，显影，定影；蒸镀Ti/Au金属层，获得带有目标图案的金属电极。第二步：转移样品，制备标准的石墨烯样品，将石墨烯转移至带有金属电极的硅衬底上。第三步：制备磁性离子凝胶薄膜，质量比为4:0.9:10的磁性离子液体、聚合物以及丙酮溶剂，加热搅拌至充分溶解，滴铸在基底上，真空烤干。切割并覆盖在转移好的石墨烯上，制备出磁性离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应管。本发明所制备出的磁性离子凝胶薄膜厚度均匀可控，能够提供强大且有效的载流子调控能力，简化了制备流程。

技术领域

本发明属于二维材料器件、电介质材料领域，具体涉及一种磁性离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应管的制备方法。

背景技术

石墨烯就是单原子层的石墨呈蜂窝状，它有着丰富储量制备过程操作简单，世界上目前最薄的二维材料等优点。由于石墨烯结构的特殊性它表现出许多优异性质：如室温电子迁移率极高，高热导率等，这展现了它在器件应用上的巨大潜力。

离子液体是一种完全由阴阳离子（一般是有机阳离子和无机阴离子）组成室温下呈液态的物质。离子液体技术(liquid gating)是一个有效调控载流子浓度的工具，这主要依赖于在电介质界面形成的电双层，由于其纳米宽的间隙它可以产生非常强大有效的电场效应。该技术除了简单地增强导电性外，超高的载流子浓度还会出现各种有趣的现象，例如相变、磁有序以及超导等。

本发明所涉及的磁性离子液体其本身具有诸多的优异特性譬如：强大的载流子调控能力、顺磁性、高热稳定性、抗腐蚀性以及宽电化学窗口等，而强大的调控能力和顺磁性是它最为显著的特性。由于强大的电场效应其能够有效调控薄膜的载流子浓度，而其独有的顺磁性，使它与石墨烯相结合进行多场调控，通过磁邻近效应在石墨烯中诱导出磁性，从而研究邻近效应的效果和原理，探索石墨烯自旋-轨道耦合强度、磁有序性等性质的变化规律。邻近效应是界面效应的一种也是研究者比较常用的调控薄膜性能的手段，被多次用于电子器件方面的相关研究。已报道过的离子液体大多由非磁性阴阳离子组成，如EMIM[TFSI]、DEME[TFSI]等。目前对非磁性离子液体而言，其只能进行单一的电场调控而无法进行多场(磁场与电场)调控。因此磁性离子液体在许多领域有着重要的应用前景与价值。

磁性凝胶薄膜作为一种混合材料，它不仅保持了磁性离子液体原有的物化性质，还解决了磁性离子液体本身存在的机械稳定性问题。随着科学技术的不断发展以及愈演愈烈的需求，其固体形态以及可塑性完全能满足人们对其应用上的需求，同时它还极大地拓展了磁性离子液体的应用前景与价值。值得注意的是磁性离子凝胶薄膜很好地保持了磁性离子液体的本征特性，如顺磁性、强调控能力、高热和化学稳定性、柔性、宽电化学窗口、良好的抗腐蚀性等且它的厚度是均匀可控的。

SiO₂、Al₂O₃、陶瓷等传统的固态介电材料能起到一定调控作用，但它们调节载流子浓度的能力有限。当使用离子液体作为电介质时，由于电双层的强电场效应，它可以将载流子浓度调控至10¹⁵cm^-2，而SiO₂仅为10¹³cm^-2。现如今，已有多篇关于非磁性离子液体调控石墨烯的报道如：Nongjian Tao等人使用BMIM[PF6]制备了基于石墨烯的EDLT器件，测量了石墨烯量子电容与栅极电压的变化关系。Iwasa课题组利用非磁性离子液体调控不同厚度（1-3层）的石墨烯研究其载流子浓度与迁移率的差异。现阶段仍然缺少关于磁性离子凝胶薄膜作为栅介层进行电场调控方面的研究，在本发明中，我们采用了高效简易的方案来制备兼具强场效应、高集成性、高成功率的磁性离子凝胶栅介石墨烯场效应管。磁性离子凝胶薄膜作为栅介层能够提供非常大的电场效应并以此保证高开关比和高电导性，同时对凝胶薄膜进行剪切堆叠的操作方式极大地简化了器件的制备流程并提升器件制作的成功率，为其应用于大规模集成电路提供了新的机遇。

发明内容