Veröffentlichung: Manufacture and characterization of graphene membranes with suspended silicon proof masses for MEMS and NEMS applications
Abstract:
Die beispiellose Festigkeit, chemische Stabilität, das ultimative Oberflächen-Volumen-Verhältnis und die ausgezeichneten elektronischen Eigenschaften machen Graphen zu einem idealen Kandidaten für Membrane in mikro- und nanoelektromechanischen Systemen (MEMS und NEMS). Die Integration von Graphen in MEMS- oder NEMS-Bauteilen und frei hängenden Strukturen, wie z.B. Testmassen auf Graphenmembranen, wirft jedoch mehrere technologische Herausforderungen auf, einschließlich des Kollapses und Reißen des Graphens. Wir haben ein robustes Verfahren für die Realisierung von Membranen aus zweischichtigem CVD-Graphen und die Aufhängung großer Silizium Testmassen auf Membranen mit hoher Ausbeute entwickelt. Wir haben die Herstellung von quadratischen Graphenmembranen mit Seitenlängen von 7 μm bis 110 μm und aufgehängten Testmassen aus festen Siliziumwürfeln mit einer Größe von 5 μm × 5 μm × 16,4 μm bis 100 μm × 100 μm × 16,4 μm demonstriert. Unser Ansatz ist kompatibel mit MEMS im Wafer-Maßstab und Halbleiterfertigungstechnologien, und die Fertigungsausbeuten der Graphenmembranen mit hängenden Testmassen lagen bei >90%, wobei >70% der Graphenmembranen >90% Graphenfläche ohne sichtbare Defekte aufweisen. Die gemessenen Resonanzfrequenzen der realisierten Strukturen reichten von Dutzenden bis Hunderten von kHz, wobei die Qualitätsfaktoren von 63 bis 148 reichten. Die Graphenmembranen mit aufgehängten Testmassen waren extrem robust und konnten Eindringkräften aus einer Rasterkraftmikroskop(AFM)-Spitze von bis zu ~7000 nN widerstehen. Der vorgeschlagene Ansatz für die zuverlässige und großtechnische Herstellung von Graphenmembranen mit hängenden Testmassen wird die Entwicklung und Untersuchung innovativer NEMS-Geräte mit neuen Funktionalitäten und verbesserter Leistung ermöglichen.
Die Forschung wurde unterstützt durch das Graphene Flagship (785219) des Europäischen Forschungsrats, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, LE 2440/1-2) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF: NanoGraM, 03XP0006 und GIMMIK,03XP0210).