Способ изготовления контактов к тонким трёхмерным чешуйкам слоистых кристаллов
METHOD FOR MANUFACTURING CONTACTS TO THIN THREE-DIMENSIONAL FLAKES OF LAYERED CRYSTALS

В последнее время значительный интерес, как теоретический, так и экспериментальный, привлекают гибридные структуры на основе тонких чешуек слоистых кристаллов, таких как графит, черный фосфор, ди- и монохалькогениды переходных металлов. Обычно такие гибридные структуры представляют собой контакт между металлической (нормальной, сверхпроводящей, ферромагнитной) пленкой и тонкой чешуйкой слоистого кристалла, что позволяет реализовывать, соответственно, омический, сверхпроводящий или спинзависимый перенос носителей заряда вблизи границы металлслоистый кристалл. Для практической реализации таких гибридных структур требуется надежная реализация прозрачного контакта (вероятность отражения носителя заряда в контакте менее 0.5) между металлической пленкой и тонкой чешуйкой слоистого кристалла. Стандартным способом реализации контакта к моноатомным слоям, например, к графену, являются методы фото- и электронной литографии. В этом случае монослой графена удерживается на поверхности оксидированного кремния посредством вандер-ваальсовых сил, в то время как металлические контакты формируются поверх кристалла стандартными методами электронной литографии (покрытие всей структуры резистом, локальная засветка резиста электронным пучком, удаление резиста из засвеченных областей), последующим напылением металлической пленки на всю структуру и взрывной литографии для удаления пленки с поверхности резиста. В то же время, необходимы методы изготовления прозрачных контактов к чешуйкам слоистых кристаллов толщиной более 100 нм. Например, слоистый дихалькогенид вольфрама в случае моноатомной реализации представляет собой двумерный топологический изолятор, в то время как трехмерная 100 нм пленка является одной из наиболее надежных реализаций Вейлевского топологического полуметалла. Однако, при толщинах чешуек от 100 нм, вандер-ваальсовы силы слишком слабы, чтобы удержать чешуйку на поверхности оксидированного кремния в процессе литографии.
Известен способ реализации металлических контактов к чешуйкам слоистых кристаллов произвольной толщины, при помощи прижимного контакта (Nature Communications, 8, 13974 (2017)) - прототип. В этом случае чешуйка слоистого кристалла находится на поверхности оксидированного кремния, а контакт реализуется прижимом металлического острия к верхней поверхности кристалла.
Недостатком данного способа изготовления контактов - прототипа, является необходимость постоянного и достаточно сильного прижима, что приводит к неконтролируемым изменениям свойств материала в точке контакта. В частности, в работе-прототипе продемонстрировано возникновение эффектов, сходных со сверхпроводимостью, на границе двух несверхпроводящих материалов (полуметалл TaAs и заостренное серебряное острие). Причины такого поведения до сих пор точно неизвестны, они могут быть связаны с локальными деформациями в точке контакта, загрязнением области контакта примесями из окружающей среды и т.п.
Задача предлагаемого изобретения - разработка способа изготовления прозрачных планарных контактов к чешуйкам слоистых кристаллов толщиной более 100 нм, не требующих постоянного прижима контакта к чешуйке. В планарных контактах широкая полоска металла исключает значительные деформации и загрязнения в контактной области.
Поставленная задача решается с помощью использования матрицы предварительно сформированных на поверхности оксидированного кремния контактных дорожек, размещения на поверхности контактов чешуйки слоистого кристалла толщиной от 100 нм до 1 мкм нужного размера (обычно от 30 до 100 мкм) и фиксации путем однократного прижима.
Предложенный способ является вариантом техники эксфолиации, предназначенным для изготовления образцов трехмерных материалов с заданной геометрией контактов. Для трехмерных чешуек монокристаллов с объемной проводимостью (например, ди- и монохалькогенидов переходных металлов) невозможно прямое использование стандартных методов фото- и электронной литографии. При формировании контактных площадок прямо на поверхности чешуйки монокристалла распределение тока в образце становится плохо определенным. Вывод контактных площадок за пределы чешуйки невозможен из-за большого перепада высот для чешуек с толщиной от 100 нм. Кроме того, вандер-ваальсовы силы слишком слабы, чтобы удержать 100 нм чешуйку на поверхности оксидированного кремния в процессе литографии.
Предлагаемый способ заключается в следующем. Матрица металлических контактных дорожек нужной геометрии формируется стандартными методами литографии на поверхности оксидированного кремния. Исходный монокристалл механически расслаивается на тонкие (от 100 нм до 1 мкм) чешуйки нужного размера (обычно менее 100 мкм). Отдельная чешуйка помещается на поверхность уже сформированных контактов и требуемым образом ориентируется относительно них методами ручного переноса при контроле в оптический микроскоп. Далее, следует однократный прижим чешуйки при помощи второй пластины оксидированного кремния. Усилие прижима подбирается экспериментально для каждого материала так, чтобы быть заведомо меньше усилия, приводящего к механическому повреждению чешуйки. В силу разной структуры поверхности пластин (гладкая полированная поверхность оксидированного кремния для прижимающей пластины, и рельефная поверхность матрицы контактных дорожек), чешуйка прочно удерживается на пластине с предварительно сформированными контактами, как показано на Фиг. 1, где виден проступающий рельеф матрицы контактов (1-8) под 100 нм чешуйкой SnSe (10). Планарные контакты формируются в области перекрытия (показано стрелками на Фиг. 1) чешуйки и металлических контактных дорожек, их площадь, и, соответственно, сопротивление, выбирается в процессе ориентации чешуйки до прижима. Достоинством данного метода является устойчивость полученной структуры к процессам окисления и иным видам загрязнения, в силу того, что рабочая (нижняя) поверхность чешуйки прижата к поверхности оксидированного кремния. Данная процедура позволяет создавать прозрачные контакты, пригодные даже для реализации джозефсоновских структур.
Можно привести следующие примеры использования способа изготовления контактов к тонким трехмерным чешуйкам слоистых кристаллов
Пример 1
Фотография чешуйки монохалькогенида олова толщиной 100 нм на золотых контактах представлена на Фиг. 1. Виден проступающий рельеф матрицы контактных дорожек (1-8) под 100 нм чешуйкой монохалькогенида олова (10).
1. На поверхности оксидированного кремния (9) методами фотолитографии и термического напыления формируется матрица золотых контактных дорожек (1-8), толщиной 100 нм. Ширины контактных дорожек в центральной части 10 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 40 мкм, расстояние между дорожками 5 мкм.
2. На центральную часть матрицы контактных дорожек помещается чешуйка монохалькогенида олова (10) толщиной 100 нм так, чтобы обеспечить перекрытие с контактными дорожками.
3. Проводится однократный прижим чешуйки к матрице контактных дорожек.
4. После однократного прижима, контакты возникают в областях перекрытия (показано стрелками) с чешуйкой монохалькогенида олова (10).
Пример 2
Фотография чешуйки дихалькогенида вольфрама толщиной 0.5 мкм (10) на индиевых контактах (1-8) представлена на Фиг. 2.
1. На поверхности оксидированного кремния (9) методами фотолитографии и термического напыления формируется матрица индиевых контактных дорожек (1-8), толщиной 100 нм. Ширины контактных дорожек в центральной части 10 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 40 мкм, расстояние между полосами 5 мкм.
2. На центральную часть матрицы контактных дорожек помещается чешуйка дихалькогенида вольфрама (10) толщиной 0.5 мкм так, ориентированная в этом случае под углом к контактным дорожкам.
4. После однократного прижима, контакты возникают в областях перекрытия с чешуйкой дихалькогенида вольфрама (10).