實驗

本章主要介紹如何利用機械剝離法製備單層石墨烯，以及使用單層石墨烯和長 庚大學化工與材料工程學系孫嘉良老師所提供的氧化石墨製成元件，最後如何利 用儀器進行量測，流程圖如下

圖(4-1) 實驗流程圖 A 石墨烯製備:

最後將矽基板放在光學顯微鏡上觀察，孫嘉良老師提供的氧化石墨則需要用去離 子水以 8:1 比例稀釋，在滴上清洗過的基板，最後靜置 15 分鐘等帶溶液乾掉。

圖(4-2) 石墨烯製備

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圖(4-3) 氧化石墨製備

B:拉曼光譜

上一個步驟裡石墨烯在光學顯微鏡下的圖，由於石墨烯的透光率極高，所以層 數越低的石墨會越接近後面矽基板的淡紫色，至於最後要如何判斷是否為單層則 需要使用 Raman 光譜。從圖(4-4)可以明顯看到如果是單層石墨烯的話，G band 強度就會低於 2D band 反之多層的石墨烯 G band 強度就會高於 2D band。

G band 2D band

圖(4-4) 拉曼光譜

C 清洗基板: 首先先將預先經過黃光微影作成的大電極，放入燒杯中再依序加入丙 酮、酒精、去離子水，利用超音波震洗機分別震洗 10 分鐘，此步驟利用超音波震 盪功能震洗試片去除表面雜質，使用高壓氮氣槍吹乾，在光學顯微鏡下觀察無汙 染即可。

1500 1600 2400 2600 2800 3000 0

50 100 150 200 250 300

Raman Int ensity (a.u.)

Raman shift (1/cm)

Single layer graphene Few layers graphene

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D 定位:

石墨烯是使用步驟 B 裡面的光學圖做為定位利用圖內 4 個記號點做為電子束微 影的基準點，氧化石墨的部份則是利用步驟 B 上好材料後送去拍攝光學以及掃描 式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)圖定位，定位圖如下

圖(4-5) 氧化石墨 SEM 定位 E 光阻塗佈:

此 步 驟 為 電 子 束 微 影 的 前 置 步 驟 ， 實 驗 上 使 用 Microchem 公 司 的正 光 阻 劑 PMMA-950A5，先將試片置於旋轉塗佈機上，滴上光阻後分兩階段進行塗佈，第一 階 段為 緩慢加速 到1500rpm 之後持續定速 旋轉 15秒， 第二階 段 再進階 加速到 5500rpm持續35秒，即可完成厚度均勻350nm的光阻層，之後將塗佈好的試片放在 加熱器上軟烤(soft bake)180℃持續一分鐘，此步驟主要目的為使光阻內的溶劑 蒸發，迫使光阻層硬化

F電子束微影:

先使用AUTOCAD繪圖軟體設計元件所需的電路圖，並放入電子束微影系統進行電 路曝寫，曝寫的參數則續考慮許多參數，微影時間、總劑量(dose)、電子束電流 質、光阻類型、顯影作用時間、顯影濃度等等。

D 顯影:

正光阻在經過電子束照射後其化學鍵會斷裂溶於顯影液中，利用此特色將樣品 置於顯影液中(甲基異丙酮+異丙醇，比例為一比三)，約 2min，正電子阻劑在經過 電子束照射後其化學鍵會斷裂易於溶於顯影液中，而未照射區域溶解較慢，利用 此特色將樣品至於顯影液(甲基異丙酮+異丙醇，比例為一比三)，時間約 30 秒，

取出後用異丙醇沖洗樣品，再用氮氣槍吹乾。

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E 熱蒸鍍與舉離:

若為穿隧元件則頇先蒸鍍氧化鋁(高場量測元件忽略此步驟)，首先要先將靶材 (氧化鋁)以及鎢舟，依序用丙酮、酒精、去離子水放進超音波震盪機裡分別震洗 十分鐘，再以高壓氮氣槍吹乾。緊接著將欲蒸鍍試片放在樣品載台上上，將試片 面向蒸鍍源，並將檔板預先轉遮住試片，將上述洗的鎢舟依照位置固定於銅座上，

再將靶材放入鎢舟完成蒸鍍準備動作。與其他真空系統相同使用機械幫浦粗抽，

再由擴散幫浦接著將腔體抽到高真空，再慢慢加大電流，等待度率穩定，極可開 啟檔板，緊接著便將靶材換為鈦線跟金錠蒸鍍電極，清洗方式如同氧化鋁，預先 蒸鍍鈦可使金的附著更好，待鈦的鍍率穩定後，極可開啟檔板。鍍金的步驟與鈦 相同。本實驗製程一般為鈦 15nm、金 250nm，鍍完之後將樣品置於丙銅中 3 小時 進行舉離，將會剩下電子束微影所繪製的圖形也就是電路。

F 高溫熱退火:

首先把石英玻璃管按照清洗順序用丙酮、酒精、去離子水在超音波震洗機清洗 10 分鐘，接著使用無塵紙把石英管擦乾放置在加熱爐上，接著再把樣品放進石英 管內。首先利用機械幫浦粗抽至壓力 2×10^-2 torr，再用渦輪幫浦抽至高真空，壓 力為 2×10^-5 torr 以下，之後操作加熱爐面板設定參數，即可運作，本實驗熱退火 條件為溫度 400℃維持 60 分鐘，以減少石墨烯之間的缺陷及改善電極與材料的接 觸，減少因接觸而產生的電阻。，最後元件的頗面圖與 SEM 圖如下

圖(4-6) MOG 元件頗面圖 圖(4-7) 氧化石墨元件 SEM 圖

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G 室溫電性量測:

實驗採用送電壓量電流的方式，主要量測系統電表型號為 Keithley6430[29]

跟 Keithley6517B，量測程式為 LABVIEW，將樣品置於探針量測系統內，使用機械 幫浦跟渦輪幫浦真空度維持在 2x10^-5 torr，將探針下在所要量測的電極，使用電 表 6430 量測電阻值，而電表 6517B 在背向加入一閘極偏壓(50V 至-50V) ，尋找石 墨烯的狄拉克點。

圖(4-8) 探針量測系統與 Keithley 電表[29]

H 低溫電性量測:

實驗採用送電壓量電流的方式，主要量測系統電表型號為 Keithley6430[29]跟 Keithley6517B，量測程式為 LABVIEW，將樣品置於探針量測系統內，使用機械幫 浦跟渦輪幫浦真空度維持在 2x10^-5 torr，將探針下在所要量測的電極，並且搭配 的是 LakeShore 336 溫控器[30]，將探針量測系統加入液態氮以降低樣品溫度，

溫度是從 300K 一直降到 80K，並且量測不同溫度點的電阻值，以及加入背向閘極 偏壓(back gate) ，量測不同溫度點石墨烯的狄拉克點是否有偏移。

圖(4-9) LakeShore 336 溫控器和液態氮

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-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 6.0x10^-11 1.2x10^-10 1.8x10^-10

dI/dV

V(Volt)