一种基于不对称电极的石墨烯场效应器件及其制备方法

本发明涉及石墨烯场效应器件领域，更具体地涉及一种基于不对称电极的石墨烯场效应器件及其制备方法。

背景技术：

1、石墨烯离子通道器件常采用电解质、离子凝胶通道作为栅控介质，离子可在介质与石墨烯界面形成高电容电双层结构，依靠该结构能够在较低栅压下产生强电场调控效应，实现高灵敏、低功耗的电信号调制。

2、现有离子栅控介质存在适配性缺陷，难以直接与传统晶体管器件结构匹配集成，制约了该类器件的芯片化、阵列化发展，同时器件无法实现长期稳定工作。

3、现有技术已公开一种柔性二维材料场效应晶体管方案，将液态金属、离子液体分别限域在微流道内部，液态金属用作源、漏电极，离子液体充当栅介质；该方案核心优势为液态金属可构建低损伤源漏接触、离子液体能够形成高电容电双层栅控，但其微流道版图采用居中对称布局，栅控通道等间距布置于源极通道与漏极通道中间，并未依据场效应器件源极、漏极的功能差异实施差异化栅控设计。该文献研究对象为固态mos2场效应晶体管，采用固态接触结构。

4、传统石墨烯场效应器件普遍采用背栅、顶栅，或是居中排布的离子栅控介质，对石墨烯整体沟道施加近似均匀的电场调控，源极区域与漏极区域受到的栅控强度完全一致。该类器件设计思路仅关注栅压对石墨烯沟道整体载流子浓度、电导的统一调节，默认源极载流子注入、漏极载流子抽取两类物理过程具备相同的栅控需求，未对两个区域的栅控强度做区分优化。

5、采用居中对称离子栅控结构的器件存在固有缺陷：石墨烯器件源极区域需要较强栅电场降低注入势垒、减小接触电阻，漏极区域若施加同等强度栅电场，栅电场会与漏极电场发生有害耦合，提升漏极附近载流子输运阻力，形成输运瓶颈，造成器件在高栅压、大电流工况下出现电流饱和提前、跨导受限、输出电流不足等问题。

6、行业内长期存在技术偏见，普遍认为石墨烯沟道需要整体均匀栅控，默认源极、漏极栅控需求一致，行业技术人员未将源漏功能差异转化为微流控版图差异化设计思路，无法通过调整栅控通道相对位置实现源漏两侧非均匀局域栅控。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于不对称电极的石墨烯场效应器件及其制备方法，从而解决现有技术中离子栅控介质难以实现局域化稳定栅控、微流道对称居中排布无法区分源漏功能差异、漏极侧强栅电场易形成载流子输运瓶颈，进而造成器件电流饱和提前、跨导受限的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、根据本发明的第一方面，提供一种基于不对称电极的石墨烯场效应器件，包括玻璃基底、单层石墨烯导电沟道、pdms 微流控层；所述单层石墨烯导电沟道制备于玻璃基底上，所述 pdms 微流控层键合于单层石墨烯导电沟道上方；所述 pdms 微流控层内设置三条相互独立的微流道，分别为源极微流道、栅极微流道、漏极微流道；所述源极微流道内填充液态金属形成源极，所述漏极微流道内填充液态金属形成漏极，所述栅极微流道内填充离子凝胶形成栅介质，所述栅极微流道沿单层石墨烯导电沟道延伸方向向所述源极微流道偏移。

4、根据本发明，沿单层石墨烯导电沟道延伸方向建立平行基准线，将三条微流道中心线投影至基准线，栅极微流道中心线与源极微流道中心线的投影距离为源栅间距，栅极微流道中心线与漏极微流道中心线的投影距离为漏栅间距，所述源栅间距小于所述漏栅间距。

5、优选的，源栅间距占源栅间距与漏栅间距总和的20%~40%，漏栅间距占源栅间距与漏栅间距总和的60%~80%。

6、根据本发明的一个优选方案，当源栅间距与漏栅间距的总长度固定为100 μm，所述源栅间距取值范围为20 μm~40 μm，所述漏栅间距取值范围为60 μm~80 μm。

7、根据本发明的另一优选方案，当源栅间距与漏栅间距的总长度固定为100 μm，源栅间距为30 μm，漏栅间距为70 μm。

8、优选的，所述液态金属为镓铟锡合金gainsn；所述离子凝胶为1-乙基-3-甲基咪唑啉双亚胺emim-tfsi离子凝胶。

9、优选的，所述pdms微流控层与玻璃石墨烯基底低温键合形成封闭流道，封闭流道对内部离子凝胶形成机械支撑与环境隔离，抑制离子凝胶蠕变、渗漏、脱落及外界污染。

10、优选的，通过调节栅极微流道向源极侧的偏移距离、微流道宽度、离子凝胶组分、石墨烯沟道尺寸，实现器件狄拉克电压、栅控灵敏度、转移特性的针对性优化。

11、根据本发明的第二方面，提供一种所述基于不对称电极的石墨烯场效应器件的制备方法，包括以下步骤：

12、s1、以硅基底为载体，采用su-8-3050光刻胶通过软光刻工艺制备带有不对称三流道凸起图形的su-8阳模；

13、s2、将pdms预聚体与固化剂按10:1质量配比混合并真空脱泡，浇注至su-8阳模表面，80℃恒温固化后剥离，得到具有三条凹陷微流道的pdms微流控层；

14、s3、裁剪铜基石墨烯，于石墨烯表层旋涂pmma作为转移保护膜，配制体积比4:1的铜刻蚀液，将涂覆pmma的样品浸入刻蚀液腐蚀1 h，完全溶除底层铜箔，获得漂浮的pmma—石墨烯薄膜；

15、s4、采用湿法转移工艺将pmma—石墨烯薄膜转移至玻璃基底，制备单层石墨烯导电沟道基底；

16、s5、将pdms微流控层与单层石墨烯导电沟道基底对准并低温键合，形成封闭微流道结构；

17、s6、采用压力泵正压驱动，向源极微流道、漏极微流道注入镓铟锡液态金属，向栅极微流道注入emim-tfsi离子凝胶，静置使内部界面稳定，完成器件制备。

18、优选的，步骤s4中，使用洁净玻璃基底从液体底部向上捞取pmma—石墨烯薄膜，将玻璃基底置于无尘环境当中静置晾干10 h以上，使石墨烯薄膜充分贴合玻璃基底表面。

19、优选的，步骤s6中，液态金属与离子凝胶均依靠压力泵正压驱动注入微流道；材料注入完成后静置使流道内材料界面逐渐稳定，显微镜下确认流道无气泡、渗漏、外溢后完成器件封装。

20、根据本发明的第三方面，提供一种所述基于不对称电极的石墨烯场效应器件的电学性能测试方法，采用钢针毛细管插入器件三条微流道出口，通过双头测试钩分别连接keithley 4200半导体参数分析仪的源极、栅极、漏极探针；设定多组源漏偏压，扫描栅压并采集漏极电流，绘制转移特性曲线，获得器件狄拉克电压、栅控灵敏度参数。

21、本发明的关键发明点在于摒弃传统石墨烯微流控场效应器件栅极微流道居中对称的布局方式，创新性采用栅极微流道向源极侧偏移的不对称三流道结构，限定沿石墨烯沟道投影的源栅间距小于漏栅间距，利用栅控强度随距离衰减的特性实现源极侧强栅控、漏极侧弱栅控的差异化电场调控，既降低源极载流子注入势垒与接触电阻，又消除漏极侧栅电场与漏极电场耦合带来的载流子输运瓶颈，改善器件电流提前饱和、跨导受限问题；同时借助pdms微流道对镓铟锡液态金属源漏电极、emim-tfsi 离子凝胶栅介质实现空间限域，封闭流道结构提升离子凝胶界面长期稳定性，整套器件基于su-8软光刻、石墨烯湿法转移低温工艺制备，可灵活调节流道偏移距离、流道尺寸、离子凝胶组分等参数优化器件电学性能，结合专属微流道适配的电学测试方案，解决了现有对称微流控器件栅控均匀无区分、离子栅介质易铺展污染、器件难以芯片化阵列化稳定工作的技术缺陷。

22、相对于现有技术，本发明具备如下有益效果：

23、本发明采用栅极微流道向源极侧偏移的不对称三流道微流控布局，使源栅间距小于漏栅间距，实现沟道两侧差异化栅控。源极侧获得更强的栅控电场，可有效降低石墨烯源极处载流子注入势垒，减小器件接触电阻；漏极侧栅控强度被削弱，抑制栅电场与漏极电场之间的有害耦合，消除漏极区域的载流子输运瓶颈，缓解器件高电流、高栅压工况下电流提前饱和、跨导受限、输出电流不足的问题，提升器件电学输出性能。

24、本发明借助pdms微流控结构对液态金属源漏电极、离子凝胶栅控介质实现空间限域，避免离子凝胶无规则铺展，解决传统离子栅控介质铺展不均、界面稳定性差的缺陷；微流道可实现介质可注入、可更新，有利于器件的芯片化与阵列化集成，改善离子栅控石墨烯器件难以长期稳定工作的问题。

25、本发明将场效应器件源极载流子注入、漏极载流子抽取的功能差异转化为微流道版图结构设计，突破本领域默认沟道需要整体均匀栅控的技术偏见；器件整体制备工艺基于成熟的软光刻与石墨烯湿法转移工艺，工艺兼容性好，便于规模化制备。

26、综上所述，根据本发明提供的一种基于不对称电极的石墨烯场效应器件及其制备方法，通过栅极微流道向源极侧偏移、源栅间距小于漏栅间距的不对称三流道结构实现源漏差异化栅控，有效降低源极接触电阻、消除漏极载流子输运瓶颈以提升器件电学性能，同时依靠封闭pdms微流道限域离子凝胶，抑制介质蠕变渗漏、提升界面稳定性，工艺简单易批量阵列化制备，可灵活调控结构参数优化器件狄拉克电压与栅控灵敏度。