Фторирование пленок CVD-графена в индуктивно связанной плазме CF4
Е.П. Неустроев, И.И. Куркина
ФГАОУ ВО «Северо-Восточный Федеральный университет им. М.К. Аммосова»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.109
Оригинальная статья
Аннотация: Синтез диэлектрических пленок нанометровых толщин представляет собой одну из ключевых задач в нано- и оптоэлектронике, что связано с растущими требованиями к миниатюризации и функциональности устройств. В данной работе представлены результаты исследования оптических и электрических свойств графена, фторированного индуктивно связанной плазмой CF4. Фторирование производилось в плазме мощностью от 125 до 200 Вт длительностью до 1 мин. Использованы два способа расположения образцов в реакционной камере плазмы: 1) графеновой пленкой в сторону плазмы и 2) подложкой в сторону плазмы. Исследования проводились методами спектроскопии комбинационного рассеяния света, рентгеновской энергодиперсионной спектроскопии и вольт-амперных характеристик. Показано, что в результате непосредственного плазменного воздействия на образцы в положении 1 происходит травление графена вплоть до полного удаления пленки. В положении 2 интенсивного травления при обработках длительностью до 1 мин не наблюдалось. В этом случае происходит фторирование графеновой пленки и отношение количества атомов фтора к углероду достигает значения ~0,2. В результате плазменной обработки происходит значительный рост сопротивления графена, которое составило от нескольких кОм/кв для исходного графена до сотен ГОм/кв и десятков МОм/кв для образцов, подвергнутых плазменному воздействию в положениях 1 и 2, соответственно. Увеличение сопротивления может инициироваться как введением дефектов при плазменной обработке, так и процессом фторирования, формирующего sp3-гибридизованные C-F связи искажающих плоскую структуру графена. Повторные оценки сопротивлений, проведенные через три недели, показали уменьшение сопротивления на два порядка для образцов, обработанных в плазме в положении 2. Данное уменьшение может быть вызвано процессами дефторирования и восстановления плоской структуры графена.
Ключевые слова: графен, химическое осаждение из газовой фазы, фторирование, плазма, четырехфтористый углерод, оптические свойства, электрическое сопротивление
- Неустроев Ефим Петрович – к.ф.-м.н., доцент, доцент кафедры радиофизики и электронных систем физико-технического института, ФГАОУ ВО «Северо-Восточный Федеральный университет им. М.К. Аммосова»
- Куркина Ирина Ивановна – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник физико-технического института, ФГАОУ ВО «Северо-Восточный Федеральный университет им. М.К. Аммосова»
Ссылка для цитирования:
Неустроев, Е.П. Фторирование пленок CVD-графена в индуктивно связанной плазме CF4 / Е.П. Неустроев, И.И. Куркина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 109-117. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.109. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Ao, Z. Enhancement of the stability of fluorine atoms on defective graphene and at graphene/fluorographene interface / Z. Ao, Q. Jiang, S. Li et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2015. – V. 7. – I. 35. – P. 19659-19665. DOI: 10.1021/acsami.5b04319.
2. Feng, W. Two-dimensional fluorinated graphene: synthesis, structures, properties and applications / W. Feng, P. Long, Y. Feng, Y. Li // Advanced Science. – 2016. – V. 3. – I. 7. – Art. № 1500413. – 22 p. DOI: 10.1002/advs.201500413.
3. Zhou, S. Chemical bonding of partially fluorinated graphene / S. Zhou, S.D. Sherpa, D.W. Hess, A. Bongiorno // The Journal of Physical Chemistry C. – 2014 – V. 118. – I. 45. – P. 26402-26408. DOI: 10.1021/jp508965q.
4. Nair, R.R. Fluorographene: a two‐dimensional counterpart of Teflon / R.R. Nair, W. Ren, R. Jalil et al. // Small. – 2010. – V. 6. – I. 24. – P. 2877-2884. DOI: 10.1002/smll.201001555.
5. Withers, F. Tuning the electronic transport properties of graphene through functionalisation with fluorine / F. Withers, S. Russo, M. Dubois, M.F. Craciun // Nanoscale Research Letters. – 2011. – V. 6. – I. 1. – Art. № 526. – 11 p. DOI: 10.1186/1556-276X-6-526.
6. Ahmad, Y. Preparation and applications of fluorinated graphenes / Y. Ahmad, N. Batisse, X. Chen, M. Dubois // Journal of Fluorine Chemistry. – 2021. – V. 7. – I. 1. – Art. № 20. – 23 p. DOI: 10.3390/c7010020.
7. Padamata, S.K. Fluorination of two-dimensional graphene: A review // S.K. Padamata, A. Yasinskiy, S. Stopic, B. Friedrich // Journal of Fluorine Chemistry. – 2022. – V. 255-256. – Art. № 109964. – 14 p. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2022.109964.
8. Chen, X. Recent advances in fluorinated graphene from synthesis to applications: critical review on functional chemistry and structure engineering / X. Chen, K. Fan, Y. Liu et al. // Advanced Materials. – 2022. – V. 34. – I. 1. – Art. № 2101665. – 44 p. DOI: 10.1002/adma.202101665.
9. Felten, A. Controlled modification of mono-and bilayer graphene in O2, H2 and CF4 plasmas / A. Felten, A. Eckmann, J.J. Pireaux et al. // Nanotechnology. – 2013. – V. 24. – № 35. – Art. № 355705. – 8 p. DOI: 10.1088/0957-4484/24/35/355705.
10. Неустроев, Е.П. Модификация термовостановленного оксида графена под действием плазмы SF6/Ar / Е.П. Неустроев, М.В. Ноговицына, В.И. Попов, В.Б. Тимофеев // Перспективные материалы. – 2017. – Вып. 1. – С. 61-68. DOI: 10.1134/S2075113317050215.
11. Shen, C. Thinning and functionalization of few-layer graphene sheets by CF4 plasma treatment / C. Shen, G. Huang, Y. Cheng // Nanoscale Research Letters. – 2012. – V. 7. – I. 1. – Art. № 268. – 8 p. DOI: 10.1186/1556-276X-7-268.
12. Baraket, M. The functionalization of graphene using electron-beam generated plasmas / M. Baraket, S.G. Walton, E.H. Lock et al. // Applied Physics Letters. – 2010. – V. 96. – I. 23. – P. 231501-1-231501-3. DOI: 10.1063/1.3436556.
13. Tahara, K. Effect of radical fluorination on mono-and bi-layer graphene in Ar/F2 plasma / K. Tahara, T. Iwasaki, A. Matsutani, M. Hatano, // Applied Physics Letters. – 2012. – V. 101. – I. 16. – P. 163105-1-163105-4. DOI: 10.1063/1.4760268.
14. Cheng, L. Partially fluorinated graphene: structural and electrical characterization / L. Cheng, S. Jandhyala, G. Mordi et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2016. – V.8. – I. 7. – P. 5002-5008. DOI: 10.1021/acsami.5b11701.
15. Wang, B. Fluorination of gGraphene: a spectroscopic and microscopic study / B. Wang, J. Wang, J. Zhu // ACS Nano. – 2014. – V. – 8. – I. 2. – P.1862-1870. DOI: 10.1021/nn406333f.
16. Chen, M. Layer-dependent fluorination and doping of graphene via plasma treatment / M. Chen, H. Zhou, C. Qiu // Nanotechnology. – 2012. – V. 23. – I. 11. – Art. № 115706. – 6 p. DOI: 10.1088/0957-4484/23/11/115706.
17. Struzzi, C. Probing plasma fluorinated graphene via spectromicroscopy / C. Struzzi, M. Scardamaglia, N. Reckinger et al. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2017. – V. 19. – I. 46. – P. 31418-31428. DOI: 10.1039/C7CP05305C.
18. Chen, M. Fluorination of edges and central areas of monolayer graphene by SF6 and CHF3 plasma treatments / M. Chen, C. Qiu, H. Zhou et al. // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2013. – V. 13. – I. 2. – P. 1331-1334. DOI: 10.1166/jnn.2013.5996.
19. Zhang, H. Spectroscopic investigation of plasma-fluorinated monolayer Ggraphene and application for gas sensing / H. Zhang, L. Fan, H. Dong et al. // ACS applied materials & interfaces. – 2016. – V. 8. – I. 13. – P. 8652-8661. DOI: 10.1021/acsami.5b11872.
20. Sherpa, S.D. Photoelectron spectroscopy studies of plasma-fluorinated epitaxial graphene / S.D. Sherpa, S.A. Paniagua, G. Levitin // Journal of Vacuum Science & Technology B. – 2012. – V. 30. – I. 3. – P. 03D102-1-03D102-7. DOI: 10.1116/1.3688760.
21. Yoon, M.A. Surface properties of CVD-grown graphene transferred by wet and dry transfer processes / M.A. Yoon, C. Kim, J.H. Kim // Sensors. – 2022. – V. 22. – I. 10. – Art. № 3944. – 11 p. DOI: 10.3390/s22103944.
22. Ferrari, A.C. Raman spectrum of graphene and graphene layers / A.C. Ferrari, J.C. Meyer, V. Scardaci et al. // Physical review letters. – 2006. – V. 97. – I. 18. – P. 187401-1-187401-4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.187401.
23. Anusuya, T. Deconvolution and quantification of defect types from the first order Raman spectra of graphene oxide derivatives / T. Anusuya, D.K. Pathak, R. Kumar, V. Kumar // FlatChem. – 2022. – V. 35. – Art. № 100422. – 9 p. DOI: 10.1016/j.flatc.2022.100422.
24. Liu, W. A study on graphene–metal contact / W. Liu, J. Wei, X. Sun, H. Yu // Crystals. – 2013. – V. 3. – I. 1. – P. 257-274. DOI: 10.3390/cryst3010257.
25. Stine, R. Chemical stability of graphene fluoride produced by exposure to XeF2 / R. Stine, W.K. Lee, K.E. Whitener Jr et al. // Nano Letters. – 2013. – V. 13. – I. 9. – P. 4311-4316. DOI: 10.1021/nl4021039.