新研究發現:石墨烯接觸電阻可不受溼度影響!

2020-12-20 環球創新智慧

導讀

近日，瑞典皇家理工學院等歐洲機構的科研組成的團隊發現，當二維材料石墨烯與金屬電路集成時，接觸電阻不會受到溼度的損害。這項發現將有助於顯著降低開發新型傳感器的成本。

背景

石墨烯，是由單層碳原子組成的蜂窩狀結構的薄片，具有卓越的導電與機械特性以及柔性、透明等優勢，一度被譽為「新材料之王」。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

石墨烯的應用範圍廣闊，例如柔性電子、高效電晶體、新型傳感器、新材料、電池、超級電容、半導體製造、新能源、通信、太赫茲技術、醫療等。其中，傳感器是石墨烯的一個非常重要的應用，石墨烯傳感器能將環境參數轉化為計算機可處理和測量的電信號。

石墨烯傳感器能對哮喘發作進行早期檢測和預警（圖片來源：Azam Gholizadeh）

獨特的二維結構，使得石墨烯基傳感器極度靈敏。未來幾年內，石墨烯傳感器也有望以低成本實現高性能。為此，與傳統電子電路集成時，石墨烯需要實現高效的電氣接觸。這種合宜的接觸對於任何傳感器來說都非常關鍵，也將顯著影響其性能。

可是，問題來了：石墨烯對於溼度敏感，周圍空氣中的水分子很容易被吸收到它的表面上。H2O分子改變了這種碳基材料的電阻，會將失真的信號引入到傳感器中。

創新

但是，近日瑞典皇家理工學院等歐洲機構的科研組成的團隊卻發現，當二維材料石墨烯與金屬電路集成時，接觸電阻（材料總電阻的一部分，由界面上的不良接觸引發）不會受到溼度的損害。這項發現將有助於顯著降低開發新型傳感器的成本。

圖片展示了石墨烯器件的接觸電阻不會被其表面上吸收的水分子影響。（圖片來源：Anderson D. Smith）

這項研究是歐洲 CO2-DETECT 項目的一部分。除了瑞典皇家理工學院，瑞典公司 SenseAir AB 、德國公司 Amo GmbH 、西班牙巴塞隆納加泰隆尼亞納米技術研究所也參與了 CO2-DETECT 項目。

這項研究成果發表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

技術

簡單說，石墨烯電氣接觸實現方法有兩種：將金屬沉積到石墨烯之上（頂部接觸）；將石墨烯轉移到在現有的金屬之上（底部接觸）。

在這項研究中，科研人員們研究了底部接觸的化學氣相沉積（CVD）石墨烯器件，通過實驗提取了不同溼度等級的傳輸線模型（TLM）測試結構中的接觸電阻。他們比較了不同溼度條件下的石墨烯的薄膜電阻與接觸電阻。此外，他們還採用密度泛函理論（DFT）仿真研究了金-石墨烯界面的電子結構上吸收的水分子所產生的影響。

（圖片來源：參考資料【2】）

TLM器件的製造工藝示意圖（圖片來源：參考資料【2】）

價值

這項研究主要研究人員之一、瑞典皇家理工學院的博士生 Arne Quellmalz 解釋道：「這將使傳感器設計者工作得更輕鬆，因為他們不一定要考慮溼度對接觸的影響，只需考慮它對石墨烯自身的影響。」

Quellmalz 還表示：「將石墨烯與傳統電子器件結合到一起，你可以利用石墨烯的獨特性質以及傳統集成電路的低成本。結合這兩項技術的一條途徑就是將石墨烯放到成品電子器件之上，而不是將金屬沉積到石墨烯薄片之上。」

論文作者們正在採用這種新方法創造首個石墨烯基傳感器原型。更具體地說，這個傳感器目的就是，通過中紅外光的光學檢測，來測量二氧化碳（主要的溫室氣體），並實現比其他技術更低的成本。

關鍵字

傳感器、電子、石墨烯

參考資料

【1】https://www.agenciasinc.es/en/News/Waterproof-graphene-electronic-circuits

【2】Arne Quellmalz, Anderson D. Smith, Karim Elgammal, Xuge Fan, Anna Delin, Mikael stling, Max Lemme, Kristinn B. Gylfason, Frank Niklaus. Influence of Humidity on Contact Resistance in Graphene Devices. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018; 10 (48): 41738 DOI: 10.1021/acsami.8b10033

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