关键词： 氮掺杂石墨烯   铜膜   电流密度极限   失效分析   纳米材料  

摘要： 随着集成电路的快速发展和电子设备的不断小型化,电子芯片内部的布线逐渐变窄,导致电流密度剧增。纳米级导体中存在极高的电流密度和焦耳热集中现象,这将引起严重的可靠性问题,特别是在电迁移和热迁移,这两者都会显著缩短导体的寿命。因此,迫切需要一种能够承受更高电流密度的导体来弥补传统铜导线的不足。近年来,碳金属基复合材料因其优异的载流能力而备受关注,如石墨烯、碳纳米管和碳纤维等材料已被纳入金属基体中。这些复合导体结合了铜中的高载流子浓度和碳材料中的高导热性以及高载流子迁移率。因此,本论文将高载流性能复合导体作为研究目标,采用天然蚕丝制备的丝素蛋白溶液作为碳源,以在石墨烯中实现氮掺杂,并通过微波等离子体烧结使氮掺杂石墨烯（Nitrogen-doped Graphene,NG）与铜膜有效结合,成功制备了具备高载流性能的NG/Cu复合薄膜。具体研究内容如下: （1）优化了NG/Cu复合薄膜的制备工艺以及结构。首先,研究了丝素蛋白溶液的旋涂转速对NG的厚度和电、热性能的影响。实验结果显示,通过调控转速可以有效调控石墨烯的厚度,并且其电阻率随厚度的增加而升高,在NG的厚度为20 nm时复合薄膜表现出最佳的电学性能和热稳定性,载流能力达到4.96×10～7 A·cm-2,相比于铜膜提升了21%。其次,调整了氮掺杂石墨烯和铜膜的制备顺序,实现了过渡金属层对界面的调控,优化了NG/Cu的结构。 （2）研究了过渡金属层对NG/Cu复合薄膜界面结构和性能的影响。首先,基于电子束蒸发技术在NG/Cu之间镀覆Ag/Ti/Cr过渡层,通过调整电子束束流大小和沉积时间,制备了不同厚度占比的NG/Ag、Ti、Cr/Cu复合薄膜。实验结果表明,Ag金属界面层下复合薄膜的载流能力提升最大,在Ag厚度为2 nm时,载流能力达到1.2×10～7 A·cm-2,相比铜膜提升了83%。其次,在可靠性测试当中,NG/15 nm Cr/Cu复合薄膜的极限载流能力超过NG/Cu复合薄膜一个量级,温度负载高达156.1℃。结果证明高电导率有利于提升复合薄膜的极限载流能力,高热导率有助于增强电子元器件在温度循环下的稳定性。 （3）研究了在仿真软件中验证载流失效机制的方法。通过有限元分析软件对薄膜进行三维建模,经过求解得到瞬态下的三维温度分布以及相应的极限载流能力。研究结果表明,热传导是复合薄膜的主要热消散方式。同时,NG/Cu复合薄膜的载流性能增强主要是由于热导率的提升。

关键词： 功能梯度微梁   石墨烯纳米片增强   修正应变梯度理论   振动   屈曲  

摘要： 随着科学和工程技术的发展,微米/纳米尺度的结构已出现在许多工程设备中,其中微梁因其被广泛应用于微机电系统(MEMS)、原子力显微镜、生物传感器、微执行器和微探头等设备而受到了极大的关注。另一方面,碳纳米复合材料独特的力学性能也是当前研究的热点,其中石墨烯纳米片(Graphene nanoplatelets,GPL)通过增加与基体材料的接触面积,从而更有效地传递载荷并进一步提高基体材料的强度。本文融合这两大研究热点,以GPL增强功能梯度微梁为研究对象,将基于修正应变梯度理论,分析微观结构下尺寸效应与微梁振动和屈曲的关系。主要工作为: (1)研究置于弹性地基上的GPL增强功能梯度微梁的自由振动。首先通过Halpin-Tsai模型和线性混合率模型计算了复合材料的物性参数。然后基于修正应变梯度理论和三阶剪切变形梁理论,通过哈密顿原理变分建立弹性地基上微梁的基本方程,从而推导出含有长度尺度参数的控制微分方程。将控制方程用纳维法进行解析求解,得到无量纲固有频率与各个参数之间的关系。最后,详细讨论了石墨烯分布形式、质量分数、GPL几何形状和尺寸效应等对振动行为的影响。 (2)多孔材料具有比重小、强度高等优点,将孔沿厚度方向连续分布在GPL增强功能梯度微梁中,可获得比刚度和比强度极高的材料。本文第三章将研究该复合材料微梁的屈曲特性,基于精化梁理论和最小势能原理得到石墨烯增强功能梯度多孔微梁的控制方程,并利用瑞利-里兹法进行求解,得到了四种边界条件下的屈曲载荷。最后分析讨论石墨烯质量分数、尺寸参数、孔隙分布形式、孔隙率、长厚比,长度尺度参数等对微梁屈曲载荷的影响。 本文的研究成果将揭示梯度石墨烯增强对微梁力学行为影响的内在机理,为新型复合材料微梁在工程应用中的优化设计提供理论参考。

关键词： 亚波长光栅   石墨烯   光吸收增强   多波段吸收   动态可调  

摘要： 石墨烯具有高载流子迁移率、高导热率、高力学强度、大比表面积、独特的光学特性等优点,在材料学、新能源、生物医学、太阳能电池等方面展现出巨大的应用前景。但单层石墨烯在近红外波段较低的吸收率限制了其在吸收器方面的发展。基于亚波长光栅的石墨烯吸收器能够有效地将光场束缚在其周围,从而增强石墨烯光吸收。然而传统的亚波长光栅石墨烯吸收器仍然存在吸收效率低、波段选择少、难以调谐等缺点。针对以上问题,本文设计新型亚波长光栅石墨烯吸收器,调控局域光场,优化器件参数,提高了石墨烯在近红外波段的吸收效率,同时实现了多波段、可调谐的功能。主要的研究成果如下: (1)设计了基于复合光栅的多波段可调谐石墨烯吸收器。通过将单层石墨烯与复合光栅-薄金属层-分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector,DBR)结构相结合,实现了三个波段范围的近完美吸收,分析了三个吸收波段的物理机理,研究了结构参数与吸收效率之间的关系,通过改变结构参数可以实现吸收器的吸收可调谐。通过改变结构参数,实现了最大Q因子为18946的高性能吸收。 (2)设计了基于凹型谐振光栅的带宽可调谐石墨烯吸收器。通过设计凹型谐振光栅-石墨烯-薄银层-DBR结构的石墨烯吸收器,实现了双波段的石墨烯带宽可调光吸收。改变结构参数可以实现对单个吸收峰的调控。此外通过调节凹型谐振光栅的子光栅厚度,可以实现从1.54 nm到5.6 nm的吸收带宽可调。 (3)设计了基于双层亚波长光栅的角度不敏感石墨烯吸收器,研究了其生物传感特性。该石墨烯吸收器由两个相同的高对比度光栅-石墨烯结构对称排布。级联光栅谐振腔提高了单层石墨烯的吸收效率,增强光场与被检测物质的相互作用,实现了高灵敏度生物传感。该结构具有对入射角度的鲁棒性,入射角在-20°到20°的范围内,结构的吸收效率均保持在95%以上。

关键词： 石墨烯   无辐射跃迁   微机电系统传感器   Fabry-Pérot腔  

摘要： 随着我国在创建先进制造业、智慧城市、智能医疗和元宇宙等领域的重视程度越来越高,对传感器的微型化、智能化、数字化和集成化等方面提出了新的要求。而微机电系统（MEMS）由于其体积小、高稳定性、低功耗、可大规模集成等优点,MEMS传感器已成为传感器的主流方向。 目前MEMS传感器主要通过将形变转换为电阻变化或电容变化再转换为电信号输出测量。这时需要在传感器内集成电池或信号输出回路,而远程探测时还需要集成天线,这使得传感器的进一步小型化困难,且难以集成到生物体内部。此外,石墨烯MEMS传感器中由于石墨烯只有在应变较大时其电阻随应变变化较大,这时通常需要内置一定的初始应力以提高应变-电阻的转换效率。这影响了石墨烯MEMS传感器的灵敏度,且容易使得石墨烯断裂。对此,本文首次利用石墨烯诱导的无辐射跃迁对距离非常敏感、容易远距离激发和探测且无需集成电池等特点,将MEMS传感器的应变转换为石墨烯诱导的无辐射跃迁引起的强度变化,极大的提升了微小形变-光辐射的转换效率,设计了可远程探测的新型高灵敏MEMS传感器。具体研究工作如下: （1）首先,研究了传统的硅基MEMS传感器,利用Fabry-Pérot（FP）微腔输出光谱对腔长变化十分敏感的特性,设计一种新型的基于金属FP腔波长调制的MOEMS加速度计。研究结果表明该传感器的线性工作范围可以达到±251 g、加速度计灵敏度可以达到20.79 nm/g、线性度可以达到0.99以上并且单位质量加速度灵敏度为3.41×10～8 nm/（g·kg）。交叉灵敏度仅为0.09%,从而可以忽略不计,并且还可以无线远距离探测。 （2）其次,在研究内容（1）的基础上,将石墨烯诱导的无辐射跃迁与传统的硅基MEMS传感器结合起来以缩小MEMS传感器的尺寸。该传感器证明质量的质量和悬臂梁长度分别比研究内容（1）中的传感器缩小了250倍和5倍以上。同时,该传感器保持了优异性能:力传感器可以探测到小于0.1 n N的力,分辨率是其它类型传感器的9倍以上;对加速度的灵敏度是已有类似加速度计的3倍以上并拥有更宽的工作带宽;单位质量加速度灵敏度为8.98×10～9%/（g·kg）。此外,线性度可以达到0.99以上,交叉灵敏度低至0.014%,可以忽略不计。因此,该传感器在要求线性度良好和宽测量范围的场景中具有重要的应用前景。 （3）进一步,将石墨烯诱导的无辐射跃迁与新型的石墨烯MEMS传感器结合起来,由于石墨烯极薄的厚度,其在相同应力下应变更大,这时传感器的尺寸可以进一步降低,灵敏度可以进一步提高。该传感器证明质量的质量和弹簧长度分别比研究内容（2）中的传感器缩小约15倍和10倍。同时,该传感器性能参数更佳:该传感器可以实现小于0.1 p N的力,约为细胞所受重力的1%;而加速度传感可以实现0.1 mg的加速度探测,单位质量加速度灵敏度高达3.1×1012%/（g·kg）。与其它类型的传感器相比,对力的分辨率提高了7个数量级,对加速度的灵敏度提高了2个数量级。且传感器可光照充能,无线远距离探测,建议的制作工艺与传统半导体工艺兼容从而可大规模集成和制作。因此,该传感器在可穿戴设备、自动驾驶、物联网等领域有着重要的应用价值。

关键词： 互连线   石墨烯   碳纳米管   Drude模型   传输时延  

摘要： 当今,互连线逐渐成为半导体技术发展的重要研究方向。由于尖端芯片的关键尺寸已经减小到10nm以下,严重影响了传统铜纳米互连线的电阻率、传输性能和传输时延,芯片的可靠性也由此受到影响。所以下面提出两种方法来改善当前互连线的负面影响,提高芯片的通信速度。 方法一,在不更换铜材料的前提下,采用阻挡性能更优、厚度更薄的二维石墨烯材料降低铜互连线的电阻,分别探讨了三种石墨烯阻挡层模型:Drude-Lorentz模型、Kubo-Drude模型、Boltzmann-Drude模型,研究石墨烯阻挡层对铜纳米互连线时延特性的影响,发现三种Drude模型下的石墨烯都可以有效减少铜互连线的传输延迟、降低互连电阻。同时研究了三维集成电路中上下两层铜互连线之间的时延情况,为分析三维集成电路的多根互连线之间的传输时延提供了参考。 方法二,通过更换互连线材料来降低互连电阻,利用碳纳米管束互连线来代替铜材料,并在碳纳米管束互连线上铺上石墨烯阻挡层,从而制作出新的石墨烯-碳纳米管束互连线。基于国际半导体发展路线图预测的参数,从频域响应和时延角度出发,研究不同条件下石墨烯-碳纳米管束互连线的传输特性。并提出进一步提高石墨烯-碳纳米管束互连线传输性能的两种方法,首先将垂直的石墨烯纳米带阻挡层VGNR(vertical graphene nanoribbon)取代水平的石墨烯纳米带阻挡层HGNR(horizontal graphene nanoribbon),研究发现VGNR下的石墨烯-碳纳米管束互连线的时延比HGNR下的更小,并且VGNR阻挡层下的石墨烯-碳纳米管束互连线在竖直方向的热传导能力更强,更适用于集成电路设计。下一步考虑改变石墨烯的掺杂以进一步提高石墨烯-碳纳米管束互连线的传输性能,研究发现掺杂了五氟化砷、锂的石墨烯阻挡层相比中性石墨烯阻挡层的时延明显减小了,并且信号传输的3-d B带宽也有显著提高,使石墨烯-碳纳米管束互连线的传输效率有效提高,有望解决当前集成电路互连上的瓶颈问题。