[论文解读] Enhanced Electron Transport in Thin Copper Films via Atomic-Layer Materials Capping

David Guzman, Alejandro Strachan|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Surface and Thin Film Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数方法，表明用石墨烯或二硫化钼（MoS₂）封装薄层Cu(111)薄膜可分别将单位长度电阻降低20%和13%，这是由于原子级粗糙表面的表面散射被抑制所致。相比之下，锡烯（stanene）和六方氮化硼（h-BN）封装则增加电阻，而表面氧化使电导率降低一个数量级。

ABSTRACT

Using first-principles calculations based on density functional theory and non-equilibrium Green's functions, we characterized the effect of surface termination on the electronic transport properties of nanoscale Cu slabs. With ideal, clean (111) surfaces and oxidized ones as baselines we explore the effect of capping the slabs with graphene, hexagonal boron nitrate, molybdenum disulfide and stanene. Surface oxide suppresses balistic conductance by a factor of 10 compared to the ideal surface. Capping the ideal copper surface with graphene slightly increase conductance but MoS$_2$ and stanene have the opposite effect due to stronger interactions at the interface. Interestingly, we find that capping atomistically roughed copper surfaces with graphene or MoS$_2$ decreases the resistance per unit length by 20 and 13%, respectively, due to reduced scattering. The results presented in this work suggest that two-dimensional materials can be used as an ultra-thin liner in metallic interconnect technology without increasing the interconnect line resistivity significantly.

研究动机与目标

• 研究二维封装材料对纳米尺度铜薄膜中电子输运的影响。
• 确定二维材料是否可在不增加铜互连电阻的前提下，作为超薄、高效的扩散阻挡层。
• 量化表面粗糙度和氧化对铜基复合体系中电子散射和电导的影响。
• 评估界面相互作用和费米能级对齐在调控输运性质中的作用。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，模拟石墨烯、h-BN、MoS₂和锡烯封装的Cu(111)薄膜的电子结构。
• 利用非平衡格林函数（NEGF）方法计算电子输运性质，包括电导和电阻随长度的变化。
• 通过透射谱和局域键电流分析，识别界面处的散射机制。
• 从电阻与长度数据的线性拟合中提取一维电阻率（ρ₁D）和有效平均自由程（λₛ𝒹）。
• 采用25%空位浓度模拟表面缺陷，以反映真实的原子级粗糙铜表面。
• 以氧化和理想（111）Cu表面为基准参考，对比不同封装材料的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 用石墨烯、h-BN、MoS₂或锡烯封装洁净的Cu(111)表面，对其电子电导有何影响？
• RQ2 与理想表面相比，表面氧化在多大程度上降低了薄层铜薄膜中的电子输运性能？
• RQ3 界面相互作用在多大程度上影响二维材料封装铜体系中的电子散射和电阻率？
• RQ4 与裸露铜薄膜相比，石墨烯或MoS₂封装是否能降低缺陷（粗糙）铜薄膜的单位长度电阻？
• RQ5 在裸露和混合铜体系中，由表面缺陷引起的有效电子平均自由程是多少？

主要发现

• 与理想、洁净的Cu(111)表面相比，表面氧化使电导率降低一个数量级。
• 在理想Cu(111)表面封装石墨烯可略微提高电导，这是由于费米能级相对于石墨烯狄拉克点上移了0.75 eV。
• 使用MoS₂和锡烯封装使电导降低约30%，这是由于强界面相互作用增加了表面散射。
• 对于具有25%空位的缺陷铜表面，石墨烯封装使单位长度电阻相比裸铜降低20%。
• 在缺陷铜表面，MoS₂封装使单位长度电阻降低13%，而锡烯封装则使其增加约35%。
• 由于表面缺陷引起的有效电子平均自由程在裸铜中为10 nm，在Cu/Gr和Cu/MoS₂异质结构中则更高，表明散射减少。