在2d材料上的分子的组装以及电子设备
阅读说明：本技术 在2d材料上的分子的组装以及电子设备 (Assembly of molecules on 2D materials and electronic devices ) 是由 萨穆埃尔·拉拉-阿维拉 汉斯·赫 谢尔盖·库巴特金 于 2018-12-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于在形成在基底(102)上的二维材料(104)的表面上组装分子(108)的方法,该方法包括：在二维材料的表面上形成包括电绝缘化合物或半导体化合物中的至少一种的间隔层(106),在间隔层上沉积分子,在升高的温度下对具有间隔层和分子的基底进行退火持续退火时间段,其中,温度和退火时间为使得分子的至少一部分被允许通过间隔层朝向二维材料的表面扩散以在二维材料的表面上组装。本发明还涉及电子设备。(The invention relates to a method for assembling molecules (108) on a surface of a two-dimensional material (104) formed on a substrate (102), the method comprising: forming a spacer layer (106) comprising at least one of an electrically insulating compound or a semiconducting compound on a surface of the two-dimensional material, depositing molecules on the spacer layer, annealing the substrate with the spacer layer and the molecules at an elevated temperature for an annealing time period, wherein the temperature and the annealing time are such that at least a portion of the molecules are allowed to diffuse through the spacer layer towards the surface of the two-dimensional material for assembly on the surface of the two-dimensional material. The invention also relates to an electronic device.)
技术领域
本发明涉及一种用于在形成在基底上的二维材料的表面上组装分子的方法。本发明还涉及一种电子设备。
背景技术
近来已经提出了在二维材料(2D材料)例如石墨烯上组装有机分子以提供增强的2D材料的电子特性的可能性。在2D材料上的分子的组装还可以提供用于创建具有在裸2D晶体中不可用的特性的新型2D材料的手段。
似乎2D晶体上的分子的组织和构象可以通过2D材料与沉积的分子之间的相互作用而影响2D材料的电子结构。然而，重要的是分子在2D材料上形成层而不是形成紧密堆积的岛。
传统上，在超高真空(UHV)条件下将分子沉积至2D材料上。然而，通过在UHV条件下分子升华到2D材料上而制备的分子-2D材料复合物在化学上不稳定，并且分子-2D材料复合物在暴露于环境条件下时会劣化，并且这使分子-2D材料对于一些实现方式例如采用掺杂的2D材料的实现方式中的使用复杂化，其中可以通过对在2D材料的表面上的掺杂剂分子的组装来实现掺杂。
因此，在用于制备在2D材料表面上具有分子层的2D材料的复合材料的工艺中存在改进的空间。还似乎需要这种具有改进的化学稳定性的复合材料。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺点和其他缺点，本发明的目的是提供允许制备在2D材料上包括分子层的复合物的方法，该复合物不仅在超高真空和低温下化学稳定，而且还在较高温度和压力条件例如环境条件下化学稳定。
根据本发明的第一方面，因此提供了一种用于在形成在基底上的二维材料的表面上组装分子的方法，该方法包括：在二维材料的表面上形成包括电绝缘化合物或半导体化合物中的至少一种的间隔层，在间隔层上沉积分子，在升高的温度下对具有间隔层和分子的基底进行退火持续退火时间段，其中，温度和退火时间为使得分子的至少一部分被允许通过间隔层朝向二维材料的表面扩散以在二维材料的表面上组装。
本发明基于以下实现：允许分子通过间隔层扩散以在二维材料的表面上组装。因此，分子不直接沉积在2D材料的表面上；而是首先在2D材料上形成间隔层。接下来，将分子沉积在间隔层上并且在退火处理期间在预定温度下通过间隔层朝向2D材料的表面扩散持续预定时间段。
根据本发明的构思，在沉积分子时不需要超高真空。此外，间隔层提供用于使在2D材料的表面上组装的分子嵌入，这至少部分地负责提供在2D材料的表面上的分子组装的化学稳定性。
根据本发明构思的2D材料优选地仅包括单个原子层或者一个或更多个原子种类的仅几个原子层。
形成间隔层的电绝缘化合物或半导体化合物可以是在退火处理期间允许分子通过化合物的扩散的任何这样的化合物。间隔层优选地为固体间隔层。
在一些可能的实现方式中，半导体化合物可以为宽带隙半导体。宽带隙半导体可以具有大于2eV的带隙。
应当广义地解释退火温度在升高的温度下，但是优选地高于室温。退火时间和温度可以基于若干因素例如间隔层的化合物的特性。通常，间隔层的化合物与退火时间和温度之间的相互作用应当使得在退火期间分子被允许通过间隔层扩散。
在一些实施方式中，在分子已经沉积在间隔层上之后，利用包括电绝缘化合物的至少一个封装层对间隔层进行封装。因此，沉积在间隔层上的分子设置有封装，这有利地提供对2D材料上的分子组装的进一步改善的化学稳定性。封装层可以包括与间隔层相同的化合物。
根据另外的实施方式，在封装层上可以沉积至少一个金属层。金属层阻碍分子从2D材料的表面逃逸，并且也阻碍分子从间隔层逃逸，特别地当间隔层为聚合物基质时，从而提供进一步改善的稳定性。
在一些可能的实施方式中，间隔层中的电绝缘化合物可以包括聚合物，其中，退火温度高于电绝缘聚合物的玻璃化转变温度。高于玻璃化转变温度的退火有利地允许分子更快地通过间隔层扩散。
根据本发明的实施方式，分子可以为分子掺杂剂，其中，分子掺杂剂通过间隔层朝向二维材料的表面扩散以在二维材料的表面上组装，从而对二维材料进行掺杂。因此，提供了在环境条件下以稳定的方式对二维材料进行掺杂的方法。以这种方式，可以提供高迁移率和稳定的2D材料。
退火时间和退火温度可以基于二维层的期望掺杂度。
间隔层的形成可以以各种方式执行。在一个实现方式中，形成间隔层包括：利用包括电绝缘聚合物的液体涂覆二维材料的层，以及在高于绝缘聚合物的玻璃化转变温度的温度下对包括二维材料的经涂覆的基底进行退火持续第二时间段，以在二维材料上形成间隔层。由此，提供了用于形成间隔层的相对简单的方法。
可以将包括电绝缘聚合物的液体例如旋涂至基底上的二维材料上。然而，包括电绝缘聚合物的液体还可以通过将基底浸入液体中或者将液体喷涂至2D材料上来施加。旋涂提供了一种用于利用液体涂覆二维材料的简单而可靠的方法。
根据其他可能的实现方式，可以通过借助于物理气相沉积或化学气相沉积中的至少一种来沉积电绝缘聚合物来形成间隔层。
在间隔层上沉积分子可以包括利用包括电绝缘聚合物和分子的液体溶液涂覆间隔层。这允许针对在间隔层上沉积分子的相对简单的制备。此外，其允许以与间隔层类似的方式利用包括电绝缘聚合物和分子掺杂剂的液体溶液对间隔层进行旋涂。另外，通过将分子嵌入至合适的聚合物基质中以形成聚合物共混掺杂剂层来进一步改善空气中的化学稳定性。
液体溶液中分子的浓度基于其分子质量和密度来选择。例如，液体溶液中分子掺杂剂的浓度按重量计可以为至少0.2％，例如0.5％、0.8％、1％或2％。
间隔层可以有利地将二维材料封装在基底上。由此，在2D材料的表面上组装的分子更可靠地保持在表面上。
间隔层的厚度为至少5nm。例如，间隔层可以为约100nm、200nm、或甚至500nm、700nm或1微米。
电绝缘聚合物中的至少一种包括PMMA或PMMA的共聚物。
二维材料可以为从其母体材料剥离的任何二维材料。
在可能的实现方式中，二维材料为外延石墨烯。石墨烯可以通过化学气相沉积来产生。
基底优选地为碳化硅，特别地在二维材料为外延石墨烯的情况下。
可以使用各种类型的分子掺杂剂并且在权利要求的范围内，然而，在一种可能的实现方式中，分子掺杂剂为四氟-四氰基喹啉二甲烷(F4TCNQ)和四氰基喹啉二甲烷(TCNQ)中的至少一种。
根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，该电子设备包括：基底；形成在基底上的二维材料；在二维材料的表面上的间隔层，该间隔层包括电绝缘化合物或半导体化合物中的至少一种；形成在间隔层上的电绝缘化合物和分子的层；形成在包括分子的层上的封装层，该封装层包括电绝缘化合物或半导体化合物中的至少一种；形成在封装层上的金属层，其中，在二维材料的层上组装与间隔层上的层中的分子具有相同种类的分子的层。
分子可以为分子掺杂剂，由此在间隔层上的分子掺杂剂从而引起对二维材料的掺杂。分子掺杂剂有利地引起二维材料的迁移率的增加。当分子掺杂剂已经通过间隔层扩散时，所述分子掺杂剂有利地布置在二维材料的表面上，这引起所谓的调制掺杂。
此外，如果从根据本发明构思的第二方面的实施方式的电子设备中移除封装层，则可以观察到二维材料的电子迁移率降低。这可能是由于分子掺杂剂脱离二维层的表面的解吸或者由于移除封装而造成的化学降解而引起的。
根据本发明构思的另外的实施方式，电子设备可以包括连接至二维材料的至少四个连接焊盘，其中，连接焊盘中的两个被布置为用于向二维材料提供电流的输入端口，并且其中，其他两个连接焊盘被布置为输出端口所述输出端口用于响应于作用在二维材料上的输入信号来感测二维材料上的电压。因此，电子设备可以用作霍尔棒，输入信号可以为垂直于二维材料的表面施加的磁场。
此外，电子设备可以为量子电阻标准。
金属层可以有利地被配置为用于提供对所掺杂的二维材料的静电栅的栅极。以这种方式，可以调整二维材料的迁移率和载流子密度。
本发明的第二方面的另外的实施方式和通过本发明的第二方面获得的效果大致类似于以上针对本发明的第一方面所描述的那些实施方式和效果。
根据本发明的第三方面，提供了根据第二方面的实施方式中任一实施方式的电子设备作为量子电阻标准的用途。
在研究所附权利要求书和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得明显。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可以组合本发明的不同特征来创建除了以下描述的实施方式之外的实施方式。
附图说明
现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1a至图1d示意性地示出了用于在二维材料的表面上组装分子的方法步骤；
图1e是根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图；
图2a至图2f示意性地示出了用于在二维材料的表面上组装分子的方法步骤；
图3是根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图；
图4是根据本发明的实施方式的方法步骤的流程图；
图5a是第一测试设备的截面图；
图5b是第二测试设备的截面图；
图5c是根据本发明的实施方式的第三测试设备的截面图；
图5d示出了图5a至图5c中的测试设备的作为温度的函数的载流子浓度；
图5e示出了图5a至图5c中的测试设备的作为温度的函数的迁移率；
图6a至图6c示出了使用ToF-SIMS的聚合物异质结构和底层的(掺杂的)石墨烯的化学分布；
图7示意性地示出了根据本发明的实施方式的电子设备的截面图；
图8示意性地示出了根据本发明的实施方式的电子设备；以及
图9示出了针对如图8所示的电子设备的电子设备的纵向电阻和横向电阻与施加的磁场的关系。
具体实施方式
在本详细描述中，本发明构思的各种实施方式主要参照以石墨烯形式的二维材料和以F4TCNQ形式的分子掺杂剂来描述。然而，应当注意，这绝不限制本发明的范围，本发明的范围同样适用于从其母体材料剥离的任何二维材料以及可以通过合适的间隔层扩散的任何分子。
图1a至图1d示意性地示出了用于在二维材料的表面上组装分子的方法。图1a至图1d将结合1e所示出的方法步骤的流程图来描述。
图1a示出了在其上具有二维材料104的层的基底102。该二维材料可以为从其母体材料剥离的任何二维材料。在一个优选实现方式中，二维材料104为通过化学气相沉积在碳化硅基底102上产生的外延石墨烯。外延石墨烯可以为生长在碳化硅基底102上的晶片级石墨烯。
图1b示出了已经形成在二维材料104上的间隔层106(步骤S102，图1e)。间隔层包括电绝缘化合物或半导体化合物。间隔层106可以以各种方式产生例如通过利用包括电绝缘聚合物的液体涂覆二维材料104并且随后在高于电绝缘聚合物的玻璃化转变温度下利用液体溶液对基底进行退火。替选地，间隔层106可以通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)产生。制造工艺(例如，利用液体涂覆、PVD、CVD)至少部分地取决于电绝缘化合物的类型或半导体化合物的类型。PVD和CVD是本领域技术人员已知的标准微制造工艺。间隔层106的厚度取决于间隔层材料的类型，但是优选地为至少5nm厚，但是间隔层106的厚度可以高达甚至500nm厚。
现在转向图1c，其示出了分子108沉积在间隔层106的表面上(步骤S104，图1e)。仅对分子108中的一个进行编号以避免使附图混乱。在间隔层上沉积分子存在多种方式，其中一种方式将参照随后的附图来描述。示例方法包括蒸发工艺、从溶液中沉积以及喷涂。
在升高的温度下对具有间隔层和沉积在间隔层上的分子的基底进行退火持续预定时间段(步骤S106，图1e)。升高的温度高于室温并且通常基于间隔层106的材料和分子108的特性来确定。退火温度和退火时间被选择成使得分子108被允许通过间隔层106朝向二维材料104扩散。如图1d概念性地示出的，在退火期间，分子108在已经通过间隔层106扩散之后在二维材料104的表面上组装。
现在转向图2a至图2d，其示意性地示出了用于在二维材料的表面上组装分子的方法。图2a至图2d将结合图3所示出的方法步骤的流程图来描述。
与图1a类似，图2a示出了在其上具有二维材料104的层的基底102。二维材料104可以为从其母材料剥离的任何二维材料。在一个可能的实现方式中，二维材料104为通过化学气相沉积在碳化硅基底102上产生的外延石墨烯。外延石墨烯可以为生长在碳化硅基底102上的晶片级石墨烯。
可以通过首先利用包括电绝缘聚合物的液体涂覆二维材料104的层来形成如图2b所示出的间隔层106，也如由图3中的步骤S202所指示的。在高于电绝缘聚合物的玻璃化转变温度的升高的温度下对具有涂覆有液体溶液的二维材料104的基底102进行退火持续一定的时间段(步骤S204，图3)。以这种方式，在该当前描述的示例实施方式中形成间隔层106。利用包括电绝缘聚合物的液体涂覆二维材料104的层可以通过本领域技术人员本身已知的旋涂方法来执行。
在一个可能的实现方式中，电绝缘聚合物为聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。在间隔层106中使用PMMA的情况下，通常将PMMA溶解在合适的溶剂中并且退火温度应当足够高使得超过玻璃化转变温度(其取决于PMMA的分子量)。例如，退火时间段可以为约5分钟并且退火温度可以为约160℃，使得形成固体间隔层。
图2c示出了间隔层106已经用包括电绝缘聚合物110和分子108的液体溶液被涂覆(步骤S206)。该涂覆可以通过旋涂方法来执行。
在高于电绝缘聚合物110的玻璃化转变温度的升高的温度下对具有间隔层106以及包括分子102和电绝缘聚合物110的液体溶液的基底102进行退火(步骤S208，图3)持续一定的时间段。另外，该电绝缘聚合物可以为PMMA或MMA、或PMMA的共聚物。
退火温度和退火时间被选择成使得分子108被允许通过间隔层106朝向二维材料104的表面扩散。如图2d概念性地示出的，在退火期间，分子108在已经通过间隔层106扩散之后在二维材料104的表面上组装。然而，通常在包括电绝缘聚合物110和分子108的退火分子层112中残留一些分子。
现在参照图2e至图2f并且参照图4中的流程图。在另外的实施方式中，如图2e示意性地示出的，在退火分子层112上形成封装层114(步骤S210，图4)。封装层114可以包括电绝缘化合物例如聚合物(如，PMMA或MMA、或PMMA的共聚物)。封装层114的产生可以以与包括电绝缘化合物的上述层相同的方式(即，涂覆和退火)执行。封装层改善了在二维材料106上所组装的分子108的化学稳定性。特别地，封装层至少部分地防止由于暴露于环境掺杂剂而引起的载流子浓度的漂移。
此外，并且如图2f示意性地示出的，在封装层114上可以沉积有金属层116(步骤S212，图4)。金属层116可以包括例如金或铝并且可以使用已知工艺例如溅射、物理气相沉积、化学气相沉积等来进行沉积。金属层116屏蔽在二维材料104上组装的分子108，使得进一步改善化学稳定性。另外，在其中分子为分子掺杂剂的实施方式中，金属层116可以用作栅极。然后，金属栅极可以用于提供对所掺杂的二维材料的静电栅。
在一些实施方式中，二维材料为生长在碳化硅基底102上的外延石墨烯104。此外，间隔层106的电绝缘化合物可以为PMMA，以及退火分子层112和封装层114中的电绝缘化合物也可以为PMMA。分子108可以为四氟-四氰基喹啉二甲烷(F4TCNQ)，但是其他分子也适用，例如四氰基喹啉二甲烷(TCNQ)。
旋涂和退火方法是本领域技术人员本身已知的，和化学气相沉积和物理气相沉积一样。
图5a至图5c均示出了用于将根据本发明构思制造的电子设备的载流子密度和电子迁移率(图6c)与其他测试设备进行比较的相应测试设备的截面图。
图5a示出了包括在其上具有石墨烯的层104和PMMA的层106的碳化硅基底102的第一测试设备502的截面图，该PMMA的层106可以对应于间隔层106。
图5b示出了包括在其上具有PMMA110和分子掺杂剂108(仅一个被编号)的退火层112的碳化硅基底102的第二测试设备504的截面图，在这种情况下，分子掺杂剂为F4TCNQ。
图5c示出了包括在碳化硅基底102上的石墨烯层104、PMMA间隔层106、包括PMMA110的退火分子层112、以及包括PMMA的封装层114的第三测试设备506的截面图。
图5a至图5c所示的所有设备都包括电连接至石墨烯层104的金接触120，以使得霍尔测量能够提取石墨烯层104的载流子密度和迁移率。因此，设备被图案化为霍尔棒，但是在图5a至图5c中的截面图中示出了该设备的仅一部分。
图5d示出了从针对原始外延石墨烯(“生长态”)和图5a至图5c中示出的测试设备(502、504、506)的霍尔测量中提取的作为温度的函数的载流子浓度。PMMA(测试设备502)和F4TCNQ(测试设备504)两者都独立地用作p掺杂剂，这可以从针对测试设备502和504的曲线中与生长态的石墨烯相比较低的载流子浓度看出，其中前者是较弱的p掺杂剂。在直接沉积至石墨烯上的情况下，仅当PMMA间隔层106包括在石墨烯与F4TCNQ层112之间(测试设备506)时，外延石墨烯的载流子密度在T＝4K时降低了三个数量级从1013cm-2至1010cm-2(在室温下降低了几乎2个数量级)。
图5e示出了从针对原始外延石墨烯和图5a至图5c中示出的测试设备(502、504、506)的测量的作为温度的函数的霍尔载流子迁移率。针对图5a中的测试设备(502)和图5b中的测试设备(504)的载流子迁移率不超过10,000cm2/Vs。然而，针对图5c中示意性地示出的在间隔层106上具有分子掺杂剂层112的第三测试设备506，载流子迁移率超过50,000cm2/Vs。
因此，如根据以上可以理解的，沉积在间隔层上的分子可以为分子掺杂剂例如F4TCNQ或TCNQ。由此，实现了具有分子掺杂剂的石墨烯的空气稳定的官能化，其实现高迁移率外延石墨烯。
间隔层106的厚度似乎不影响对载流子密度和载流子迁移率的改善，至少在100nm至500nm的范围内不影响，这表明F4TCNQ分子通过聚合物的扩散相对快。间隔层优选地为至少5nm厚。
已经使用飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)深度分析研究了所制造的电子设备的化学组分。图6a示意性地示出了被研究并且使用根据本发明构思的方法生产的设备600的截面图。图6a中的截面图示出了碳化硅基底102上的石墨烯层104、与基底102和石墨烯层104直接接触的PMMA间隔层106(约100nm厚)、包括PMMA-F4TCNQ共混物的退火分子层112(约200nm厚，分子未示出)，封装PMMA层114(约100nm厚)、以及基底102上的通过间隔层106嵌入的金焊盘120。
来自ToF-SIMS研究的结果呈现在图6b至图6c中并且示出了F4TCNQ物质通过PMMA间隔层106扩散以到达石墨烯104表面，该F4TCNQ物质可能与石墨烯104形成电荷转移复合物，并且在石墨烯/间隔物界面处累积，如从图6b可以理解的。图6b示出了沿垂直于由图6a中的箭头601a指示的石墨烯104的表面的方向的三层聚合物堆叠在竖直轴上相对于基底的化学分布，其中离子强度绘制为溅射时间的函数。示出了针对氟(F)和氰基(CN)的离子强度，氟(F)和氰基(CN)两者都表示掺杂剂F4TCNQ。针对硅(Si)的离子强度也包括在图6b中。
在图6b中，可以看出由线602(CN)和603(F)指示的F4TCNQ计数的强度在退火分子层112中具有小的增加，这表明在退火分子层112中仍然残留一些F4TCNQ分子。在石墨烯层104与PMMA间隔层106之间的界面处，由峰604(针对CN的曲线，也参见曲线603中F-强度中的峰)指示存在较大的增加，这表明F4TCNQ分子在石墨烯层104的表面处的累积。
图6c示出了沿垂直于基底的表面的方向在基底上的三个不同位置处：石墨烯(在图6a中的箭头601a处)、裸SiC(在图6a中的箭头601b处)、以及石墨烯上的薄Au膜(在图6a中的箭头601c处)的三层聚合物堆叠在竖直轴上的化学分布的比较，其中离子强度绘制为溅射时间的函数。图6c中的图例表示在设备600上获得化学分布的位置处(例如，在箭头601a至601c处)。
图6c示出了由在石墨烯的位置(601a)处、在SiC(601b)上和在Au(601b)上的分子掺杂剂F4TCNQ(即，如参照图6b描述的CN信号)产生的化学特征。在SiC或Au处获取的特征用作聚合物间隔层基底界面的指标(在约250溅射秒处可见，还在图6b中可见)。注意，如根据SIMS估计的每个层的厚度是近似的，这是因为蚀刻速率根据材料而不同。例如由于表面粗糙度而引起的不均匀溅射还会涂抹并加宽界面，例如石墨烯附近的F4TCNQ累积层。
ToF-SIMS揭示了不仅在退火分子层112和PMMA间隔层106处发现了F4TCNQ，这表明F4TCNQ从包括F4TCNQ和PMMA的中间掺杂剂层112快速扩散，而且掺杂剂(F4TCNQ)到达基底102表面并且累积在石墨烯104和金120的导电表面处(图6b和图6c)。
因此，F4TCNQ在聚合物薄膜中是可移动的，并且F4TCNQ的扩散取决于主聚合物基质(例如，PMMA、MMA、或PMMA的共聚物)的多个参数，特别是取决于极性和玻璃化转变温度(Tg)。考虑到PMMA的极性和上面所描述的工艺的热退火步骤高于聚合物的玻璃化转变温度(Tg为约105℃)，针对在基底表面处的F4TCNQ的通量下限的保守估计为
观察到的对石墨烯的p掺杂效应(参见图5a至图5e及以上讨论)以及F4TCNQ在石墨烯104和金表面120处的累积——通过CN物质的尖峰随后出现Si信号或Au信号表示(图6b和图6c)——可以通过产生F4TCNQ阴离子的电荷转移复合物的形成来解释，所述F4TCNQ阴离子必须保留在石墨烯界面处以保持总体电荷中性。另外，在聚(3-己基噻吩)(P3HT)：F4TCNQ共混物中已经观察到F4TCNQ阴离子在聚合物基质中的较慢扩散，其中针对F4TCNQ-阴离子，中性F4TCNQ的扩散系数为10-11cm2s-1，降低了两个数量级(参见例如，QuantitativeMeasurements of the Temperature-Dependent Microscopic and MacroscopicDynamics of a Molecular Dopant in a Conjugated Polymer,”Macromolecules,vol.50,no.14,pp.5476–5489,Jul.2017.)。在使用PMMA作为针对F4TCNQ的主基质的情况下，F4TCNQ在掺杂层中以及在其通过PMMA间隔层扩散时都保持中性。仅当其与电子供体例如石墨烯进行接触时，才可能发生电荷转移。
进一步参照图6c，如由沿竖直轴朝向SiC基底102的CN-信号(在SiC处，601c)中的相对低的峰606所指示的，似乎在聚合物间隔物/SiC界面处几乎没有F4TCNQ的累积，与在掺杂层处测得的信号(1.4×1014ions cm-2)相比，在由峰608指示的石墨烯/PMMA间隔层界面处的CN-信号的强度粗略高了50％(在金/PMMA处高6倍，参见峰610)。根据SIMS测量，可以通过图6c中的离子强度曲线612(SiC，在箭头601c处)、614(石墨烯，在图6a的箭头601a处)、616(金，在箭头601b处)下的面积来计算到达石墨烯104的分子比例的估计。使用已知密度的PMMA、其中PMMA被初始溶解于其中的苯甲醚溶剂、F4TCNQ分子和旋涂之后F4TCNQ掺杂剂层的厚度(假定仅为PMMA和F4TCNQ分子的板)来计算可用分子掺杂剂(F4TCNQ分子)的总量。最后，这导致石墨烯表面上的F4TCNQ的估计数目为粗略约7x1014分子/cm2。
图7示意性地示出了根据本发明的实施方式的电子设备700的截面图。电子设备包括基底102和形成在基底上的二维材料104。基底102可以为碳化硅基底，并且二维材料可以为生长在基底102上的外延石墨烯104。在二维材料104的表面上还存在包括电绝缘化合物或半导体化合物中的至少一种的间隔层106。间隔层106可以包括例如以PMMA或MMA或它们的组合形式的电绝缘化合物。在间隔层106上存在电绝缘化合物和分子108的层112。层112中的电绝缘化合物也可以包括PMMA或MMA、或它们的组合。
在包括分子108的层112上形成有包括电绝缘化合物(例如，PMMA或MMA、或它们的组合)或半导体化合物中的至少一种的封装层114。在封装层114上还形成有金属层116。在二维材料104的层上组装与间隔层106上的层112中的分子具有相同种类的分子108的层。
在一些实施方式中，分子是以例如四氟-四氰基喹啉二甲烷(F4TCNQ)和/或四氰基喹啉二甲烷(TCNQ)形式的分子掺杂剂。分子掺杂剂允许对二维材料104进行掺杂。金属层116可以用于通过防止分子掺杂剂从聚合物基质解吸到周围环境中以进一步改善设备在环境条件下的化学稳定性。
此外，金属层116可以用作用于调整二维材料104中的载流子浓度的栅极。
图8是示例概念性电子设备700的示意性顶视图。图7中示出的截面图在图8中由线A-A指示。电子设备在此处被示为霍尔棒701，该霍尔棒701在设备中可以用作通过使用量子霍尔效应的量子电阻标准的实施方式或实现。
电子设备700可以使用本领域技术人员本身已知的常规光刻例如电子束光刻和/或光刻来制造。
电子设备700包括连接至二维材料104的至少四个连接焊盘(参见图7)。两个连接焊盘702、704被布置成使得电流(I)能够沿x方向——霍尔棒700的纵向方向——穿过二维材料。两个连接焊盘706、708被布置为用于测量当电流(I)沿纵向方向(x)穿过设备700中的二维材料时横向电压(Vxy)的输出端口。两个连接焊盘706、708沿横向方向(y)在空间上分离。此外，可以在连接焊盘706和沿纵向方向与连接焊盘706在空间上分离的附加连接焊盘710之间测量纵向电压(Vxx)。霍尔棒700的尺寸例如可以为：w＝5mm×L＝3mm，w＝30μm×L＝100μm，W＝2μm×L＝10μm。
二维材料的掺杂均匀性可以用来确定分子掺杂剂均匀地散布在二维材料的表面上。使用在低温(例如，2开尔文)下的磁传输测量来评估霍尔棒701的掺杂均匀性，并且霍尔棒701的掺杂均匀性表明仅在间隔层106包括在石墨烯104与掺杂剂层112之间的情况下，设备700中石墨烯104的化学掺杂才在整个霍尔棒701上显著地共形。现在将参照图9描述掺杂均匀性评估。
图9是示出在图8中的霍尔棒701的连接焊盘706和710之间测量的纵向电阻(Rxx)以及还在连接焊盘706和708之间测量的横向电阻(Rxy1，Rxy2)的曲线图。针对化学掺杂设备例如霍尔棒701，在包括间隔层106和分子掺杂层112的霍尔棒(W＝30μm×L＝100μm)设备701中在T＝2K时的磁传输测量示出针对磁场|B|<80mT的线性横向电阻(Rxy1，Rxy2)，此后量子霍尔高原(quantum Hall plateaus)902、904开始发展并且在|B|>300mT时获取它们的精确量化值Rxy＝h/2e2(h为普朗克常数)。磁场被施加成垂直于霍尔棒700的平面。
进一步参照图9，其另外示出了纵向电阻Rxx作为所施加的磁场(B)的函数。在霍尔棒700的测量区域内的电荷载流子均匀性的另一测试是对完全发展的量子霍尔效应(由高原902、904表示)的观察，其中同时观察到Rxx＝0和在Rxy＝h/2e2中的量化稳定。在量化条件下，对有限Rxx的观察实际上由样品中的无序量决定的，样品中的无序量一旦达到Rxy稳定状态，就可以表现为Rxx中的振荡(参见例如，“Transport in two-dimensionaldisordered semimetals,”Phys.Rev.Lett.,vol.113,no.18,pp.1-5,2014,or“Puddle-Induced Resistance Oscillations in the Breakdown of the Graphene Quantum HallEffect,”Phys.Rev.Lett.,vol.117,no.23,pp.1-5,2016)。
因此，前述磁传输特性表明，具有PMMA间隔层和F4TCNQ掺杂剂层的化学掺杂样品在二维材料104上表现为具有单个电子带和在空间上均匀的载流子密度的系统。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求书的范围内可以进行许多修改和变型。
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